DE112022003432T5

DE112022003432T5 - Optoelektronische vorrichtung

Info

Publication number: DE112022003432T5
Application number: DE112022003432.7T
Authority: DE
Inventors: Tansen Varghese; Alvaro Gomez-Iglesias; Martin Hetzl
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2024-04-25
Also published as: TWI849531B; WO2023061659A1; CN118103995A; TW202333428A

Abstract

Es wird eine optoelektronische Vorrichtung angegeben, umfassend- Emitter (1), wobei jeder Emitter (1) dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung (2) zu emittieren,- einen zugeordneten Empfänger (3) für jeden Emitter (1), der dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der von dem Emitter (1) emittierten elektromagnetischen Strahlung (2) zu empfangen, wobei- die Emitter (1) dazu eingerichtet sind, mit einer Eingangsspannung (UI) betrieben zu werden,- jeder Empfänger (3) dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil einer Ausgangsspannung (UO) bereitzustellen,- jeder Emitter (1) physisch mit dem zugeordneten Empfänger (3) verbunden ist.

Description

Vorliegend wird eine optoelektronische Vorrichtung angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine optoelektronische Vorrichtung anzugeben, die besonders kompakt ausgebildet werden kann.
Gemäß zumindest einem Aspekt umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Emitter, insbesondere umfasst die optoelektronische Vorrichtung eine Vielzahl von Emittern. Jeder Emitter ist dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Ferner sind die Emitter dazu ausgelegt, mit einer Eingangsspannung betrieben zu werden. Zum Beispiel kann jeder Emitter eine Vorrichtung sein, die elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen Infrarotstrahlung und ultravioletter Strahlung erzeugt. Insbesondere kann jeder Emitter dazu eingerichtet sein, im Betrieb elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von mindestens 250 nm bis höchstens 1600 nm zu erzeugen.
Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Empfänger, insbesondere eine Vielzahl von Empfängern. Jeder Empfänger ist einem Emitter der Vielzahl von Emittern zugeordnet und kann hier und im Folgenden als „zugeordneter Empfänger“ bezeichnet werden. Beispielsweise ist die Anzahl der Emitter gleich der Anzahl der Empfänger.
Jeder zugeordnete Empfänger ist dazu eingerichtet, die elektromagnetische Strahlung des zugeordneten Emitters zu empfangen und einen Teil einer Ausgangsspannung der optoelektronischen Vorrichtung bereitzustellen. Insbesondere ist der zugeordnete Empfänger dazu eingerichtet, die von dem Emitter im Betrieb emittierte elektromagnetische Strahlung zu empfangen und zumindest teilweise in elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere kann der zugeordnete Empfänger so auf den Emitter abgestimmt sein, dass der zugeordnete Empfänger eine besonders hohe Absorption für die vom Emitter erzeugte elektromagnetische Strahlung aufweist.
Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung ist jeder Emitter physisch mit dem zugeordneten Empfänger verbunden. Das heißt, dass zum Beispiel für jeden Emitter genau ein zugeordneter Empfänger vorhanden ist und der Emitter und der zugeordnete Empfänger physisch miteinander verbunden sind. So ist es beispielsweise möglich, dass der Emitter und der zugeordnete Empfänger in direktem physischen Kontakt zueinander stehen. Weiterhin ist es möglich, dass zwischen dem Emitter und dem zugeordneten Empfänger mindestens ein Element, zum Beispiel eine Schicht, angeordnet ist. Diese Schicht vermittelt das Bonden zwischen dem Emitter und dem zugeordneten Empfänger, so dass die beiden Elemente der optoelektronischen Vorrichtung physisch miteinander verbunden sind.
Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung

- Emitter, wobei jeder Emitter dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung zu emittieren,
- einen zugeordneten Empfänger für jeden Emitter, der dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der von dem Emitter emittierten elektromagnetischen Strahlung zu empfangen, wobei
- die Emitter dazu eingerichtet sind, mit einer Eingangsspannung betrieben zu werden,
- jeder Empfänger dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil einer Ausgangsspannung bereitzustellen,
- jeder Emitter physisch mit dem zugeordneten Empfänger verbunden ist.

Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst jeder Emitter mindestens einen Oberflächenemitter. Unter einem Oberflächenemitter wird im vorliegenden Zusammenhang ein strahlungsemittierendes Bauelement verstanden, das die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung quer, insbesondere senkrecht, zu einer Montagefläche emittiert, auf der das strahlungsemittierende Bauelement befestigt ist. Insbesondere kann der Oberflächenemitter eine Halbleitervorrichtung sein, die einen epitaktisch gewachsenen Halbleiterkörper umfasst. Insbesondere kann die Richtung, in der die elektromagnetische Strahlung dann im Betrieb emittiert wird, parallel zu einer Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers sein. Der Halbleiterkörper kann zum Beispiel auf Halbleitermaterialien wie (Al)InGaN, In(Ga)AlP, InGa(As)P, InGa(Al)As, (Al)GaAs und (In)GaAs basieren.
Der Oberflächenemitter kann beispielsweise eine Leuchtdiode, eine Laserdiode, eine Superlumineszenzdiode oder ein VCSEL sein. Dabei kann jeder Emitter genau einen oder eine Vielzahl von Oberflächenemittern umfassen, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sein können.
Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst jeder Empfänger mindestens eine Photodiode. Die Photodiode kann einen Halbleiterkörper mit mindestens einem aktiven oder detektierenden Bereich umfassen, der dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung, die von dem mindestens einen Oberflächenemitter im Betrieb erzeugt wird, zu absorbieren und in elektrische Energie umzuwandeln. Die mindestens eine Photodiode kann beispielsweise aus demselben Materialsystem wie der mindestens eine Oberflächenemitter gebildet sein. Insbesondere kann der Empfänger eine Vielzahl von Photodioden umfassen, die in Reihe oder parallel geschaltet sein können.
Die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung basiert unter anderem auf den folgenden Überlegungen.
Viele Anwendungen, etwa in der Akustik, bei strahllenkenden Technologien wie MEMS, Aktoren, Detektoren wie Avalanche-Photodioden, Einzelphotonen-Avalanche-Dioden oder Photomultipliern, erfordern Hochspannungsversorgungen mit relativ geringem Stromverbrauch. Für solche Anwendungen können Spannungen von über 50 V, 100 V, 500 V, 1000 V, 2000 V, 10000 V und mehr erforderlich sein, während gleichzeitig der Fußabdruck hinsichtlich Größe, Gewicht, Kosten und Stromverbrauch der Geräte gering bleiben muss. Diese Eigenschaften sind besonders wichtig bei mobilen Geräten wie AR/VR-Brillen, tragbaren In-Ear-Headsets und Automobilanwendungen.
Ein weiteres Problem, das es bei Hochspannungsgeneratoren mit geringem Fußabdruck zu lösen gilt, ist die Verbindung von Nieder- und Hochspannungspfaden, die galvanisch getrennt sein sollten, um die Funktionssicherheit und Langzeitstabilität eines Gerätes unter wechselnden Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Staub zu gewährleisten.
Die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung kann vorteilhaft als optischer Spannungswandler eingesetzt werden. Ferner ist es mit Modifikationen der hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung auch möglich, eine hohe Spannung auf der Seite der Emitter in eine niedrige Spannung auf der Seite der Empfänger umzuwandeln. Darüber hinaus ist es mit Modifikationen der vorliegenden Vorrichtung möglich, eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln und umgekehrt. Schließlich ermöglicht die vorliegende Vorrichtung auch die Übertragung von galvanisch getrennter Energie von der Seite der Emitter zur Seite der Empfänger, ohne die Spannung zu verändern. Die Modifikationen könnten beispielsweise in Änderungen der Schaltungsanordnung und/oder des Materialsystems der Vorrichtung bestehen.
Die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung kann somit beispielsweise einen Transformator bilden, der ohne induktive Elemente, insbesondere ohne Spulen, auskommt. Dadurch wird zum einen der Bauraum im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren besonders klein, zum anderen werden bei der Transformation keine oder nur geringe Magnetfelder erzeugt. Damit ist auch eine Beeinflussung durch äußere magnetische und/oder elektrische Felder ausgeschlossen. Damit kann die optoelektronische Vorrichtung in Bereichen eingesetzt werden, bei denen magnetische Störungen kritisch wären oder die starken äußeren Magnetfeldern ausgesetzt sind. Gleichzeitig sorgt die optische Leistungsübertragung in der optoelektronischen Vorrichtung für eine galvanische Trennung von der Hochspannungs- und der Niederspannungsseite.
Ein weiteres Konzept der hier beschriebenen Vorrichtung besteht in der Kombination von Halbleiter-Lichtemittern und - empfängern, also Photodioden oder Photovoltaikzellen, um eine Umwandlung von Nieder- in Hochspannungen zu erreichen. Zu diesem Zweck werden auf der Niederspannungsseite der Vorrichtung ein oder mehrere parallel geschaltete Emitter eingesetzt, die Licht emittieren. Die Wellenlänge des emittierten Lichts kann zwischen 250 nm und 1600 nm liegen, je nach den verwendeten Halbleitermaterialien, wie etwa: (Al)InGaN, In(Ga)AlP, InGa(As)P, InGa(Al)As, (Al)GaAs und (In)GaAs. Typische Eingangsspannungen liegen bei 1 V, 3 V, 5 V, 8 V, 10 V oder dazwischen.
Auf der Hochspannungsseite, die von der Niederspannungsseite galvanisch getrennt ist, empfangen in Reihe geschaltete Empfänger, wie etwa Photodioden, die im photovoltaischen Modus arbeiten, das emittierte Licht. Je nach verwendetem Material, wie zum Beispiel Si, InGaAs, GaAs, InGaN oder Perowskit, erzeugt jede Photodiode eine Spannung in der Größenordnung von 0,5-3 V und einen Strom in Abhängigkeit von der Intensität des einfallenden Lichts. Durch die Verwendung einer großen Anzahl von Photodioden, die alle auf sehr kleiner Wafergröße in Reihe geschaltet sein können, addieren sich diese Einzelspannungen zu einer hohen Gesamtspannung, die 10, 50, 100, 500, 1000, 10000 V übersteigen kann.
Insgesamt ermöglicht die vorliegende Vorrichtung die Übertragung von Energie und/oder die Umwandlung von Spannung in einem besonders kompakten Bauelement. Die optoelektronische Vorrichtung ist dabei unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie Temperaturschwankungen oder elektromagnetischen Feldern.
Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung sind jeder Emitter und der zugeordnete Empfänger monolithisch miteinander verbunden. Zum Beispiel umfasst jeder Emitter einen epitaktisch gewachsenen Halbleiterkörper. Sind der Emitter und der zugeordnete Empfänger monolithisch verbunden, ist der Empfänger epitaktisch auf den Halbleiterkörper des Emitters aufgewachsen oder umgekehrt. Dabei ist es möglich, dass zwischen dem Emitter und dem zugeordneten Empfänger mindestens eine weitere epitaktisch gewachsene Isolierschicht angeordnet ist. In diesem Fall werden der Emitter und der zugeordnete Empfänger während des epitaktischen Herstellungsprozesses miteinander verbunden. So ist es beispielsweise möglich, dass die Emitter gemeinsam in einem Wafer gewachsen werden und die Empfänger anschließend im gleichen Wafer auf die Emitter aufgewachsen werden. Dies ermöglicht eine besonders kostensparende Herstellung der optoelektronischen Halbleitervorrichtung.
Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung sind jeder Emitter und der zugeordnete Empfänger aneinander gebondet. Dabei sind der Emitter und der Empfänger nicht epitaktisch aufeinander aufgewachsen, sondern sie sind aneinander gebondet, beispielsweise durch eine Bondschicht, die zwischen jedem Emitter und dem zugeordneten Empfänger angeordnet ist, oder durch direktes Bonden. Eine solche Bondschicht kann auch als elektrisch isolierende Trennschicht zwischen dem Emitter und dem zugeordneten Empfänger fungieren. Bei einer solchen Vorrichtung kann das Materialsystem des zugeordneten Empfängers unabhängiger vom Materialsystem des Emitters gewählt werden, als dies bei der monolithischen Verbindung von Emitter und zugeordnetem Empfänger der Fall ist.
Gemäß einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst jeder Emitter einen Träger und ist der zugeordnete Empfänger an einer vom Träger abgewandten Seite jedes Emitters angeordnet. Der Träger kann zum Beispiel ein Aufwachssubstrat für die Emitter sein. Weiterhin ist es möglich, dass der Träger durch einen Anschlussträger, wie eine Leiterplatte, gebildet wird, über den die Emitter elektrisch kontaktierbar sind. Ist der Träger ein Aufwachssubstrat, ist es außerdem möglich, dass der Träger auf der Seite der Emitter elektrisch leitfähig ist. Auf diese Weise ist es möglich, dass die Emitter beispielsweise über die Träger oder über Strukturen auf dem Träger parallel geschaltet sind. Das heißt, der Träger kann ein gemeinsamer Träger für zwei, mehr oder alle Emitter der optoelektronischen Vorrichtung sein. Weiterhin ist es möglich, dass jeder Emitter einen eigenen Träger aufweist, der sich von dem Träger der übrigen Emitter unterscheidet.
Gemäß einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung ist zwischen jedem Emitter und dem zugeordneten Empfänger eine elektrisch isolierende Trennschicht angeordnet. Insbesondere für den Fall, dass die Eingangsspannung niedriger ist als die Ausgangsspannung, kann zwischen den Empfängern und den Emittern eine große Potentialdifferenz bestehen. Die Potenzialdifferenz kann beispielsweise 1000 V oder mehr betragen. Bei einer Potentialdifferenz von 1000 V und einer Dicke der elektrisch isolierenden Trennschicht von 1 um beträgt die Feldstärke des elektrischen Feldes 1 GV/m.
Gemäß einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung weist die elektrisch isolierende Trennschicht eine größere Bandlücke auf als benachbarte Schichten, die an die elektrisch isolierende Trennschicht angrenzen. Auf diese Weise kann die elektrisch isolierte Trennschicht den beschriebenen hohen elektrischen Feldstärken standhalten.
Außerdem verhindert eine solche elektrisch isolierende Trennschicht nicht nur den Übergang des Trägers vom Emitter zum Empfänger, sondern auch die Absorption der vom Emitter erzeugten elektromagnetischen Strahlung. Die elektrisch isolierende Trennschicht kann beispielsweise durch Al_xGaAs mit x ≥ 0,9, GaAs, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, insbesondere gesputtertes Siliziumnitrid, und/oder Diamant- oder diamantähnliche Kohlenstofffolien gebildet sein. Eine mit Al_xGaAs gebildete elektrisch isolierende Trennschicht kann seitlich oxidiert sein, oder ein kompensierender Dotierstoff wie Fe kann zwischen dem Aufwachsen des Emitters und des zugeordneten Empfängers implantiert und getempert werden.
Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die Vorrichtung ferner für jeden Empfänger eine zugeordnete Bypass-Diode, wobei die zugeordnete Bypass-Diode antiparallel zum Empfänger geschaltet ist. Eine solche Bypass-Diode kann beispielsweise dazu verwendet werden, einen nicht angestrahlten Empfänger zu überbrücken. Auf diese Weise wird ein Empfänger, der physisch mit einem nicht funktionierenden oder nicht betriebenen Emitter verbunden ist, nicht durch eine Sperrspannung zerstört, sondern der Strom kann durch die antiparallel geschaltete Bypass-Diode fließen.
Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung sind die Bypass-Diode und der zugeordnete Empfänger physisch miteinander verbunden. Dabei ist es zum Beispiel möglich, dass die Bypass-Diode und der zugeordnete Empfänger monolithisch miteinander verbunden oder aneinander gebondet sind. Monolithisch verbunden bedeutet hier wieder, dass die Bypass-Diode epitaktisch auf den zugeordneten Empfänger aufgewachsen werden kann. Die optoelektronische Vorrichtung umfasst dann beispielsweise eine Vielzahl von Bauelementen, wobei jedes Bauelement einen Emitter, einen zugeordneten Empfänger, der physisch mit dem Emitter verbunden ist, und eine zugeordnete Bypass-Diode, die physisch mit dem zugeordneten Empfänger verbunden ist, umfasst. Beispielsweise ist der zugeordnete Empfänger auf dem Emitter und die Bypass-Diode auf dem zugeordneten Empfänger angeordnet, und zwar an einer vom Emitter abgewandten Seite des Empfängers.
Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung sind alle Emitter dazu eingerichtet, unabhängig voneinander betrieben werden zu können. Das heißt, dass zum Beispiel alle Emitter unabhängig voneinander geschaltet werden können, so dass jeder Emitter betrieben werden kann oder nicht. Auf diese Weise ist es zum Beispiel möglich, defekte Emitter abzuschalten oder die Ausgangsspannung der optoelektronischen Vorrichtung zu steuern.
Gemäß einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung sind alle Empfänger dazu eingerichtet, unabhängig voneinander betrieben werden zu können. Das heißt, jeder Empfänger ist unabhängig schaltbar, um betrieben zu werden oder nicht betrieben zu werden. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, Paare von Emittern und zugeordneten Empfängern ein- und auszuschalten und damit die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung zu steuern.
Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung ist der zugeordnete Empfänger dazu eingerichtet, überbrückt zu werden, wenn der Emitter nicht in Betrieb ist. Beispielsweise ist jedem zugeordneten Empfänger ein Schalter zugeordnet, der den zugeordneten Empfänger überbrückt, wenn der zugeordnete Empfänger nicht in Betrieb ist. Ein solcher Schalter kann beispielsweise einen Transistor umfassen oder aus einem solchen bestehen, der parallel zum zugeordneten Empfänger geschaltet ist. Weiterhin kann eine Bypass-Diode antiparallel zum Empfänger geschaltet werden, die als Ausfallsicherung dient, wenn der zugeordnete Empfänger ungewollt nicht in Betrieb ist, etwa wenn der Emitter nicht funktioniert.
Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung ist die Eingangsspannung der Vorrichtung niedriger als die Ausgangsspannung der Vorrichtung und die zugeordneten Empfänger von betriebenen Emittern sind in Reihe geschaltet. Das heißt, dass die zugeordneten Empfänger nur für solche Emitter in Reihe geschaltet sind, die in Betrieb sind, zum Beispiel durch Verwendung eines Schalters für jeden Empfänger, der parallel geschaltet ist, um den Empfänger zu überbrücken, falls ein Emitter absichtlich ausgeschaltet wird.
Im Folgenden wird die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Anhand der schematischen Zeichnungen der 1, 2, 3, 4, 5A, 5B, 6, 7A, 7B und 7C werden Ausführungsformen der hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtungen näher erläutert.
1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Teil einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleichartige oder gleich wirkende Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die in den Figuren dargestellten Elemente und ihre Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgetreu anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente zum Zwecke der besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
1 zeigt ein Paar aus einem Emitter 1 und einem zugeordneten Empfänger 3. Der Emitter 1 ist zum Beispiel epitaktisch auf dem Träger 4 aufgewachsen. In diesem Fall kann der Träger 4 ein leitfähiges, beispielsweise n-leitendes, Substrat sein. Es ist jedoch auch möglich, dass das Aufwachssubstrat von dem Emitter 1 abgelöst wird und der Träger 4 ein an den Emitter gebondetes Substrat oder eine mit dem Emitter 1 verbundene Leiterplatte ist.
Der Emitter 1 umfasst eine aktive Zone 13, die zwischen n-leitenden und p-leitenden Halbleiterschichten angeordnet ist. Auf beiden Seiten der aktiven Zone 13 sind Spiegel 14, 15 angeordnet. Der erste Spiegel 14 liegt an einem ersten Kontakt 11 des Emitters 1 an, über den der Emitter 1 zum Beispiel von seiner n-Seite her kontaktiert wird. Der zweite Spiegel 15 ist an der zum Beispiel p-Seite des Emitters 1 angeordnet, die über einen zweiten Kontakt 12 kontaktiert wird, der beispielsweise den zweiten Spiegel 15 zumindest teilweise umgibt. Der erste Spiegel und der zweite Spiegel umfassen beispielsweise jeweils eine Vielzahl von Schichten mit wechselnden Brechungsindizes. Auf diese Weise können beide Spiegel beispielsweise durch elektrisch leitfähige Bragg-Reflektorspiegel gebildet werden.
An einer von dem Träger 4 abgewandten Seite des Emitters 1 ist der zugeordnete Empfänger 3 angeordnet. Der Empfänger 3 ist zum Beispiel epitaktisch auf den Emitter 1 aufgewachsen. In diesem Fall sind der Empfänger und der Emitter 1 monolithisch miteinander verbunden. Es ist jedoch auch möglich, dass Emitter 1 und Empfänger 3 aneinander gebondet sind, zum Beispiel über ein Bondmaterial mit hoher dielektrischer Festigkeit wie Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. In jedem Fall ist eine elektrisch isolierende Trennschicht 5 zwischen dem Emitter 1 und dem Empfänger 3 angeordnet. Ferner sind der Emitter 1 und der zugeordnete Empfänger 3 physisch miteinander verbunden. In diesem Fall von gebondetem Emitter und Empfänger können elektrisch isolierende Spiegel eingebaut werden.
Der Empfänger 3 umfasst einen aktiven Bereich 33, der dazu eingerichtet ist, eine Strahlung 2 zu empfangen, die während des Betriebs vom Emitter 1 erzeugt wird. Der Empfänger 3 wandelt einen Teil der Strahlung 2 in elektrische Energie um. Der Empfänger 3 umfasst einen ersten Kontakt 31 und einen zweiten Kontakt 32. In der dargestellten Ausführungsform ist der erste Kontakt 31 beispielsweise n-leitend und der zweite Kontakt 32 p-leitend. Das Paar aus Emitter 1 und Empfänger 3 kann durch eine elektrisch isolierende Abdeckschicht 6 passiviert werden, die beispielsweise zumindest Teile der Seitenflächen und der Oberseite der Anordnung aus Emitter 1 und zugeordnetem Empfänger 3 bedeckt.
In der Ausführungsform von 1 ist der Emitter 1 beispielsweise ein VCSEL, und der Empfänger 3 ist oder umfasst mindestens eine Photodiode.
Die Kontakte 31 und 12 werden zum Beispiel nach dem Ätzen der Halbleiterschichten des Empfängers und des Emitters gebildet. Zum Beispiel werden die Halbleiterschichten des Empfängers 3 bis auf eine n-Kontaktschicht geätzt und der n-Kontakt 31 gebildet. Anschließend werden die Halbleiterschichten des Emitters 1 bis auf eine p-Kontaktschicht des Emitters 1 geätzt und der p-Kontakt 12 gebildet. Anschließend ist es ferner möglich, die Schichten bis auf den Träger 4 zu ätzen, um einen n-Kontakt des Emitters 1 zu bilden, zum Beispiel den Kontakt 11.
Eine hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung umfasst eine Vielzahl von Paaren aus Emittern 1 und Empfängern 3 wie in 1 dargestellt. Bei diesen Paaren werden die Emitter 1 beispielsweise parallel zu der gewählten Anzahl von Emittern geschaltet, die betrieben werden sollen. Die Empfänger 3 werden dann zum Beispiel zueinander in Reihe geschaltet. Dies ist in der schematischen Draufsicht von 2 dargestellt, die ein Paar aus Emitter 1 und zugeordnetem Empfänger 3 zeigt, wobei der erste Kontakt 31 des Empfängers 3 mit dem zweiten Kontakt 32 eines benachbarten Paares aus einem Emitter 1 und einem zugeordneten Empfänger 3 verbunden werden kann. Die Emitter werden mit der Eingangsspannung UI angesteuert, und die Ausgangsspannung UO wird von den Empfängern 3 erhalten.
Die schematische Ansicht von 3 zeigt ein Paar aus einem Emitter 1 und einem zugeordneten Empfänger 3 für eine weitere Ausführungsform einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung. Bei dieser Ausführungsform befinden sich die Kontakte 11, 12 des Emitters 1 beide zwischen dem Träger 4 und den übrigen Schichten des Emitters 1. Damit ist eine bessere elektrische Trennung des Emitters und des Empfängers 3 möglich. Zwischen dem Träger 4 und dem Emitter 1 ist beispielsweise eine elektrisch isolierende Basisschicht 7 angeordnet. In diese elektrisch isolierende Basisschicht 7 können der erste Kontakt 11 und der zweite Kontakt 12 des Emitters 1 eingebettet sein.
Im Zusammenhang mit der schematischen Darstellung in 4 wird ein Problem der in 3 gezeigten optoelektronischen Vorrichtung veranschaulicht. Wenn die Eingangsspannung UI der Vorrichtung niedriger ist als die Ausgangsspannung UO der Vorrichtung, kann am Empfänger 3 ein großes Potential anliegen, während der Emitter 1 ein niedriges Potential aufweist. Daraus kann ein starkes elektrisches Feld E entstehen, das zum Austritt von Ladungsträgern wie Elektronen führen kann.
Somit erweist sich die elektrisch isolierende Trennschicht 5 als vorteilhaft für die Trennung zwischen dem Emitter 1 und dem zugeordneten Empfänger 3. Weiterhin sollte die elektrisch isolierende Trennschicht 5 eine größere Bandlücke aufweisen als die umgebenden Schichten des Empfängers 3 und des Emitters 1, um für die elektromagnetische Strahlung 2, die vom Emitter 1 durch die elektrisch isolierende Trennschicht 5 in den Empfänger 3 strahlt, durchlässig zu sein und um zu verhindern, dass Ladungsträger vom Emitter 1 zum Empfänger 3 wandern. Die elektrisch isolierende Trennschicht 5 kann beispielsweise durch Al_xGaAs mit x ≥ 0,9, GaAs, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, insbesondere gesputtertes Siliziumnitrid, und/oder Diamant- oder diamantähnliche Kohlenstofffolien gebildet werden.
Eine hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung hat unter anderem den Vorteil, dass der Emitter 1 und der Empfänger 3 perfekt zueinander ausgerichtet werden können, so dass eine maximale Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung 2 vom Emitter 1 in den Empfänger 3 möglich ist. Außerdem können der Emitter 1 und der Empfänger 3 so ausgelegt werden, dass sie sich Moden, also stehende elektromagnetische Wellen, teilen, wodurch die Absorption der elektromagnetischen Strahlung 2 im Empfänger optimiert wird. Sowohl der Emitter 1 als auch der Empfänger 3 können Vorrichtungen mit Mehrfachübergängen und optional mit Mehrfachwellenlängen sein, wodurch höhere Spannungen und/oder höhere Ströme möglich sind.
Falls der Empfänger 1 und der Emitter 3 eines jeden Paares aus Emittern und zugeordneten Empfängern aneinander gebondet sind, kann die elektrisch isolierende Trennschicht 5 als Bondschicht verwendet und so gewählt werden, dass die Schicht eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist. Weiterhin können die Halbleitermaterialien zur Bildung des Emitters 1 und des zugeordneten Empfängers 3 im Vergleich zu einem monolithisch verbundenen Paar aus Emitter 1 und zugeordnetem Empfänger 3 freier gewählt werden. Allerdings können die Produktionskosten für das Bonden von Emitter und Empfänger höher sein als beim monolithischen Ansatz, bei dem Emitter und zugeordneter Empfänger epitaktisch aufeinander aufgewachsen sind.
Im Zusammenhang mit den schematischen Ansichten von 5A und 5B wird eine weitere Ausführungsform einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung erörtert. Im Vergleich zur Ausführungsform von 3 umfasst das Paar aus Emitter 1 und Empfänger 3 zusätzlich eine Bypass-Diode 8. Die Bypass-Diode 8 kann beispielsweise monolithisch mit dem Empfänger 3 verbunden sein, oder sie ist an den Empfänger 3 gebondet. Die Bypass-Diode 8 umfasst einen pn-Übergang, der antiparallel zum pn-Übergang des Empfängers 3 geschaltet ist, siehe auch 5B. Die Bypass-Diode 8 kann den Empfänger 3 überbrücken, wenn der Empfänger 3 nicht vom Emitter 1 angestrahlt wird. Auf diese Weise wird zum Beispiel ein Empfänger 3, der mit einem nicht funktionierenden oder nicht betriebenen Emitter 1 gekoppelt ist, nicht durch eine Sperrspannung zerstört.
Eine Verbindung zwischen der Bypass-Diode 8 und dem Empfänger 3 kann zum Beispiel über die Kontakte 31 und 32 des Empfängers hergestellt werden, wie in den 5A und 5B dargestellt.
Im Zusammenhang mit 6 wird eine Ausführungsform der hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung erläutert, bei der alle Emitter 1 dazu eingerichtet sind, unabhängig voneinander betrieben werden zu können. Bei dieser Ausführungsform sind die Emitter 1 parallel geschaltet. Der in jeden Emitter 1 eingespeiste Strom wird durch einen Schalter 9 gesteuert, wobei jedem Emitter ein eigener Schalter 9 zugeordnet ist. Jeder Schalter 9 umfasst beispielsweise ein p-Kanal-MOSFET, und die p-Kanal-MOSFETs werden über die Gate-Spannung gesteuert. Die parallel geschalteten Emitter werden mit der Eingangsspannung UI der Vorrichtung betrieben.
Eine solche Hintergrundschaltung für die Emitter 1 kann auf Waferebene integriert werden. Daher sind zusätzliche Interposer oder aktive CMOS-Wafer möglich. Die Anzahl der eingeschalteten Emitter 1 kann durch eine geeignete Gestaltung der Emitteranschlussschaltung verändert werden, beispielsweise durch die Verwendung von Schaltern 9, wie in der Ausführungsform von 6 gezeigt. Eine entsprechende Schaltung für die Empfänger 3, die dann in Reihe geschaltet werden, kann zum Ablösen der Empfänger 3 verwendet werden, die nicht von zugeordneten Emittern 1 angestrahlt werden, zum Beispiel wenn die Emitter 1 ausgeschaltet sind. Sowohl die Emitter 1 als auch die Empfänger 3 können dann ähnlich wie die Pixel einer Aktivmatrixanzeige betrieben werden.
Im Zusammenhang mit den schematischen Darstellungen der 7A bis 7C wird eine weitere Ausführungsform einer hier beschriebenen Vorrichtung erläutert. Bei dieser Ausführungsform gibt es eine zweidimensionale Anordnung von Emittern 1 und zwei getrennte, in Zeilen r und Spalten c unterteilte Metallisierungsgitter, die es erlauben, einzelne oder Gruppen von Emittern 1 durch Anlegen von Spannungen an die entsprechenden Spalten c und Zeilen r zu kontaktieren. Dies ist in der dreidimensionalen Ansicht von 7B näher dargestellt, aus der deutlich wird, dass ein Schalter 9, etwa ein Transistor, jede einzelne Zeile oder Spalte schaltet.
Aufgrund der Eins-zu-Eins-Zuordnung von Emittern 1 und Empfängern 3 muss bei Abschaltung eines Emitters 1 der entsprechende Empfänger 3 überbrückt werden, um Spannungsverluste zu vermeiden. Dies kann beispielsweise wie in der schematischen Darstellung von 7C geschehen, wo ein Schalter 10 für einen Empfänger 3, etwa ein Transistor, parallel geschaltet ist, um den Empfänger 3 zu überbrücken, falls ein Emitter 1 absichtlich ausgeschaltet wird. Als Ausfallsicherung für den Fall, dass der Emitter 1 unbeabsichtigt ausgeschaltet wird, kann eine Bypass-Diode 8, wie sie zum Beispiel im Zusammenhang mit den 5A und 5B erläutert wurde, antiparallel zum Empfänger 3 geschaltet werden.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102021126781.1 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen wird.
Die Erfindung ist durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele nicht auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal und auch jede Merkmalskombination, die insbesondere jede Merkmalskombination der Patentansprüche und jede Merkmalskombination der Ausführungsbeispiele einschließt, auch wenn dieses Merkmal oder diese Merkmalskombination selbst nicht ausdrücklich in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichen

1: Emitter
11: erster Kontakt des Emitters
12: zweiter Kontakt des Emitters
13: aktive Zone des Emitters
14: erster Spiegel
15: zweiter Spiegel
2: elektromagnetische Strahlung
3: Empfänger
31: erster Kontakt des Empfängers
32: zweiter Kontakt des Empfängers
33: aktiver Bereich des Empfängers
4: Träger
5: elektrisch isolierende Trennschicht
6: elektrisch isolierende Abdeckschicht
7: elektrisch isolierende Basisschicht
8: Bypass-Diode
9: Schalter für Emitter
10: Schalter für Empfänger
E: elektrisches Feld
UI: Eingangsspannung
UA: Ausgangsspannung
rx: Zeile Nummer x
cx: Spalte Nummer x

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1020211267811 [0053]

Claims

Optoelektronische Vorrichtung, umfassend - Emitter (1), wobei jeder Emitter (1) dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung (2) zu emittieren, - einen zugeordneten Empfänger (3) für jeden Emitter (1), der dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der von dem Emitter (1) emittierten elektromagnetischen Strahlung (2) zu empfangen, wobei - die Emitter (1) dazu eingerichtet sind, mit einer Eingangsspannung (UI) betrieben zu werden, - jeder Empfänger (3) dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil einer Ausgangsspannung (UO) bereitzustellen, - jeder Emitter (1) physisch mit dem zugeordneten Empfänger (3) verbunden ist, - alle Emitter (1) dazu eingerichtet sind, unabhängig voneinander betrieben werden zu können, und - alle Empfänger (3) dazu eingerichtet sind, unabhängig voneinander betrieben werden zu können.
Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei jeder Emitter (1) einen Oberflächenemitter (10) und jeder Empfänger (3) eine Photodiode umfasst.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Emitter (1) und der zugeordnete Empfänger (3) monolithisch miteinander verbunden sind.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Emitter (1) und der zugeordnete Empfänger (3) aneinander gebondet sind.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Emitter (1) einen Träger (4) umfasst und der zugeordnete Empfänger (3) an einer vom Träger (4) abgewandten Seite jedes Emitters (1) angeordnet ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen jedem Emitter (1) und dem zugeordneten Empfänger (3) eine elektrisch isolierende Trennschicht (5) angeordnet ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die elektrisch isolierende Trennschicht (5) eine größere Bandlücke als benachbarte Schichten aufweist.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine zugeordnete Bypass-Diode (8) für jeden Empfänger (3), wobei die zugeordnete Bypass-Diode (8) antiparallel zu dem Empfänger (3) geschaltet ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Bypass-Diode (8) und der zugeordnete Empfänger (3) physisch miteinander verbunden sind.
Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Bypass-Diode (8) und der zugeordnete Empfänger (3) monolithisch miteinander verbunden oder aneinander gebondet sind.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zugeordnete Empfänger (3) dazu eingerichtet ist, überbrückt zu werden, wenn der Emitter (1) nicht in Betrieb ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingangsspannung (UI) niedriger ist als die Ausgangsspannung (UO) und die zugeordneten Empfänger (3) von betriebenen Emittern (1) in Reihe geschaltet sind.