DE112022003487T5 - Optoelektronische vorrichtung - Google Patents

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Martin Hetzl
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Abstract

Es wird eine optoelektronische Vorrichtung angegeben, umfassend- einen Emitter (1), der dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung (2) mit zwei oder mehr Peak-Wellenlängen (21, 22, 23) zu emittieren und mit einer Eingangsspannung (UI) betrieben zu werden,- einen Empfänger (3), der dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung (2) zu empfangen und eine Ausgangsspannung (UO) bereitzustellen.

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. Der Emitter ist dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Beispielsweise kann der Emitter eine Vorrichtung sein, die elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen Infrarotstrahlung und ultravioletter Strahlung erzeugt.
  • Insbesondere kann der Emitter dazu eingerichtet sein, im Betrieb elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von mindestens 350 nm bis höchstens 1600 nm zu erzeugen. Ferner ist der Emitter so ausgelegt, dass er mit einer Eingangsspannung betrieben werden kann. In Fällen, in denen die optoelektronische Vorrichtung zwei oder mehr Emitter umfasst, sind die Emitter parallel zueinander geschaltet. Der Emitter oder die Emitter sind dazu eingerichtet, mit der Eingangsspannung betrieben zu werden.
  • Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung ist der Emitter dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung mit zwei oder mehr Peak-Wellenlängen zu emittieren. Eine Peak-Wellenlänge ist die Wellenlänge, bei der das radiometrische Emissionsspektrum der elektromagnetischen Strahlung ein Maximum aufweist. Hat die elektromagnetische Strahlung zwei oder mehr Peak-Wellenlängen, weist das radiometrische Emissionsspektrum zwei oder mehr lokale Maxima auf, wobei jedes Maximum einer der Peak-Wellenlängen entspricht. Dazu weist der Emitter beispielsweise zwei oder mehr aktive Bereiche auf, wobei jeder aktive Bereich dazu eingerichtet ist, einen Teil der elektromagnetischen Strahlung zu emittieren, wobei jede Peak-Wellenlänge einer einzelnen aktiven Zone des Emitters zugeordnet ist.
  • Auf diese Weise ist jede aktive Zone dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung mit einer der Peak-Wellenlängen zu emittieren. Die vom Emitter emittierte elektromagnetische Strahlung ist eine Zusammensetzung der von den aktiven Zonen emittierten Strahlung.
  • Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Empfänger.
  • Der Empfänger ist dazu eingerichtet, die elektromagnetische Strahlung des Emitters zu empfangen und zumindest einen Teil einer Ausgangsspannung der optoelektronischen Vorrichtung bereitzustellen. Insbesondere ist der Empfänger dazu eingerichtet, die vom Emitter im Betrieb emittierte elektromagnetische Strahlung zu empfangen und zumindest teilweise in elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere kann der Empfänger so auf den Emitter abgestimmt sein, dass der Empfänger eine besonders hohe Absorption für die vom Emitter erzeugte elektromagnetische Strahlung aufweist.
  • Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung
    • - einen Emitter, der dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung mit zwei oder mehr Peak-Wellenlängen zu emittieren, und dazu eingerichtet ist, mit einer Eingangsspannung betrieben zu werden, und
    • - einen Empfänger, der dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung zu empfangen, und dazu eingerichtet ist, eine Ausgangsspannung bereitzustellen.
  • 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 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 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 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 darin, Halbleiter-Lichtemitter und -empfänger, die also Photodioden oder Photovoltaikzellen umfassen, zu kombinieren, um eine Umwandlung von Nieder- in Hochspannung 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 350 nm und 1600 nm liegen, je nach den verwendeten Halbleitermaterialien, wie etwa: In(Ga)N, In(Ga)AlP, (Al)GaAs, (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 die 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 oder 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. Im Folgenden wird die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
  • Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung sind die aktiven Zonen monolithisch miteinander verbunden. Das heißt, der Emitter umfasst zum Beispiel einen Halbleiterkörper, der epitaktisch gewachsen ist. Der Halbleiterkörper umfasst die aktiven Zonen, zum Beispiel als Schichtfolgen oder andere Strukturen wie Nanostäbchen oder Nanodrähte. Die aktiven Zonen werden zum Beispiel im selben Aufwachsprozess zusammen gewachsen und sind somit monolithisch miteinander verbunden.
  • Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung werden die Peak-Wellenlängen durch Quantentopfdurchmischung festgelegt. Das heißt, dass zum Beispiel nach dem Wachstum des Emitters und der aktiven Zonen des Emitters eine Quantentopfdurchmischung erfolgt, um unterschiedliche Bandlücken und damit unterschiedliche Peak-Wellenlängen in den verschiedenen aktiven Zonen zu erhalten. Die Durchmischung kann beispielsweise durch Diffusion, Implantation oder Einbringen von Verspannung durch eine weitere Schicht, wie etwa eine dielektrische oder eine Metallschicht, erfolgen. Dabei führen unterschiedliche Zusammensetzungen von Schichten, etwa dielektrischen Schichten, zu unterschiedlichen Verspannungsniveaus und damit zu unterschiedlichen Wellenlängen in den aktiven Zonen.
  • Das Festlegen der Peak-Wellenlängen mittels Quantentopfdurchmischung hat den Vorteil, dass die Herstellung einen einfachen Epitaxieprozess umfasst, sich daraus jedoch mehrere Peak-Wellenlängen auf demselben Wafer ergeben. Außerdem werden mehrere Peak-Wellenlängen nicht durch den Emitter selbst absorbiert, wodurch die Emissionseffizienz erhöht wird. Mehrere Peak-Wellenlängen führen auch zu einem höheren Strom und einer höheren Spannung auf der Empfängerseite.
  • Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung sind die aktiven Zonen in einer lateralen Richtung voneinander beabstandet angeordnet. Eine laterale Richtung ist eine Richtung, die zum Beispiel parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Emitters verläuft. Zum Beispiel sind die aktiven Zonen entlang einer lateralen Richtung hintereinander angeordnet. Ferner ist es möglich, dass die aktiven Zonen an den Knotenpunkten eines regelmäßigen Gitters in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. In diesem Fall sind die aktiven Zonen in zwei lateralen Richtungen voneinander beabstandet angeordnet.
  • Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung ist jede aktive Zone von einem Nanodraht oder einem Nanostäbchen umfasst. Das heißt, die aktive Zone, die einen Teil der elektromagnetischen Strahlung des Emitters mit einer einzigen Peak-Wellenlänge emittiert, ist von einem Nanodraht oder einem Nanostäbchen umfasst.
  • Beispielsweise können die Nanodrähte oder die Nanostäbchen lateral beabstandet voneinander auf einer gemeinsamen Wachstumsfläche aufgewachsen werden. Auf diese Weise können viele aktive Zonen, zum Beispiel 1000 oder mehr aktive Zonen, in einen Emitter eingebaut werden.
  • Gemäß diesem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung können Gruppen der aktiven Zonen elektromagnetische Strahlung mit denselben Peak-Wellenlängen emittieren, so dass die optoelektronische Vorrichtung beispielsweise elektromagnetische Strahlung mit zwei, drei oder mehr Peak-Wellenlängen emittiert, wobei die Anzahl der Peak-Wellenlängen geringer ist als die Anzahl der aktiven Zonen.
  • Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung ist der Emitter eine kantenemittierende Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung in einer lateralen Richtung zu emittieren, und der Empfänger ist dazu eingerichtet, die elektromagnetische Strahlung aus der lateralen Richtung zu empfangen. Die laterale Richtung liegt in der gleichen Ebene wie die oben beschriebene laterale Richtung.
  • Unter einer kantenemittierenden Vorrichtung wird im vorliegenden Zusammenhang ein strahlungsemittierendes Bauelement verstanden, das die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung quer, insbesondere senkrecht, zu einer Seitenfläche oder Facette des Bauelements emittiert. Die elektromagnetische Strahlung wird dann zum Beispiel durch die Seitenfläche oder Facette hindurch abgestrahlt.
  • Insbesondere kann die kantenemittierende Vorrichtung eine Halbleitervorrichtung sein, die einen epitaktisch gewachsenen Halbleiterkörper umfasst. Insbesondere kann die Richtung, in der die elektromagnetische Strahlung dann im Betrieb emittiert wird, schräg oder senkrecht zu einer Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers sein. Der Halbleiterkörper kann zum Beispiel auf Halbleitermaterialien wie In(Ga)N, In(Ga)AlP, (Al)GaAs, (In)GaAs basieren.
  • Die kantenemittierende Vorrichtung kann beispielsweise eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode sein.
  • Dabei ist es auch möglich, dass der Emitter die elektromagnetische Strahlung von zwei Seiten emittiert, zum Beispiel durch zwei Facetten oder Seitenflächen, die in der kantenemittierenden Vorrichtung einander gegenüber angeordnet sind.
  • Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst der Emitter eine kantenemittierende Vorrichtung und ist dazu eingerichtet, die elektromagnetische Strahlung von zwei gegenüberliegenden Seiten zu emittieren, und von jeder Seite wird ein anderer Teil des Empfängers angestrahlt. In diesem Fall ist der Empfänger in mindestens zwei Teile geteilt. Beide Teile können elektrisch miteinander verbunden sein und sind zum Beispiel miteinander in Reihe geschaltet. Jedes Teil ist in einer Emissionsrichtung auf einer anderen Seite des Emitters nachgeordnet. Damit sind höhere Ströme und höhere Spannungen an der Ausgangsseite der optoelektronischen Vorrichtung möglich.
  • Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst der Emitter zwei oder mehr Konverter, und jeder Konverter ist dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlichen Peak-Wellenlängen zu emittieren. Gemäß diesem Aspekt sind die unterschiedlichen Peak-Wellenlängen der von dem Emitter emittierten elektromagnetischen Strahlung auf die Konverter zurückzuführen.
  • Bei diesen Konvertern kann es sich zum Beispiel um Quantenpunkt-Konverter, keramische Konverter oder insbesondere um Nanodrähte oder Nanostäbchen handeln. Handelt es sich bei den Konvertern um Nanodrähte oder Nanostäbchen, können diese Nanodrähte oder Nanostäbchen beispielsweise auf eine Emissionsfläche des Emitters gebondet oder epitaktisch aufgewachsen sein. In jedem Fall umfasst der Emitter eine aktive Zone, die Primärstrahlung erzeugt, und die Konverter wandeln die Primärstrahlung ganz oder größtenteils in Sekundärstrahlung um. Dabei wandeln verschiedene Typen von Konvertern in Sekundärstrahlung mit unterschiedlichen Peak-Wellenlängen um.
  • Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst der Empfänger eine Vielzahl von Photodioden. Das heißt, der Empfänger ist beispielsweise ein Array von Photodioden, die in lateralen Richtungen voneinander beabstandet angeordnet sein können.
  • Besteht der Empfänger aus zwei oder mehr Teilen, so kann jeder Teil des Empfängers so ausgebildet sein, dass er eine Vielzahl von Photodioden umfasst. Beispielsweise werden die Teile des Empfängers auf die gleiche Weise ausgebildet und umfasst jedes Teil des Empfängers die gleiche Anzahl und die gleiche Art von Photodioden.
  • Gemäß diesem Aspekt ist es möglich, dass verschiedene Photodioden auf unterschiedliche Peak-Wellenlängen der vom Emitter emittierten elektromagnetischen Strahlung abgestimmt sind. Das bedeutet, dass die Absorption der elektromagnetischen Strahlung bei der jeweiligen Peak-Wellenlänge höher ist als bei anderen Wellenlängen. Der Empfänger umfasst verschiedene Typen von Photodioden, wobei die Absorption für jede Photodiode bei einer der Peak-Wellenlängen am höchsten ist.
  • Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung sind alle Photodioden miteinander in Reihe geschaltet. Das heißt, alle Photodioden eines Empfängers oder alle Photodioden eines Teils des Empfängers sind miteinander in Reihe geschaltet. Auf diese Weise können besonders hohe Ausgangsspannungen erzielt werden.
  • Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst jede Photodiode zwei oder mehr aktive Bereiche, wobei jeder aktive Bereich auf eine der Peak-Wellenlängen abgestimmt ist. Der aktive Bereich jeder Photodiode ist der Erfassungsbereich, in dem die elektromagnetische Strahlung absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt wird.
  • Es ist möglich, dass jede Photodiode zwei oder mehr aktive Bereiche umfasst, die zum Beispiel in Richtung der die Photodiode durchlaufenden elektromagnetischen Strahlung hintereinander angeordnet sind. Zumindest einige oder alle aktiven Bereiche zumindest einiger oder aller Photodioden sind elektrisch miteinander in Reihe geschaltet. Wird eine solche Photodiode in einem ersten aktiven Bereich der Photodiode, auf den die elektromagnetische Strahlung zuerst auftrifft, mit der elektromagnetischen Strahlung angestrahlt, wird die elektromagnetische Strahlung mit der kleineren Peak-Wellenlänge absorbiert. In dem oder den nachfolgenden aktiven Bereich(en) wird elektromagnetische Strahlung mit weiteren, höheren Peak-Wellenlängen absorbiert. Dabei sind die aktiven Bereiche zumindest einiger oder aller Photodioden durch einen Tunnelübergang oder durch ein transparentes leitfähiges Oxid (TCO) wie Indium-Zinn-Oxid (ITO) elektrisch in Reihe miteinander verbunden.
  • Auf diese Weise kann die vom Emitter emittierte elektromagnetische Strahlung von den Photodioden effizient absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt werden.
  • Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung ist die Eingangsspannung der Vorrichtung niedriger als die Ausgangsspannung der Vorrichtung. Zum Beispiel liegt die Eingangsspannung im Bereich von 1 V bis 5 V und die Ausgangsspannung im Bereich von 500 V, 1000 V oder höher.
  • Im Folgenden wird die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
  • Anhand der schematischen Zeichnungen der 1, 2, 3A, 3B, 3C, 4A, 4B, 5A, 5B werden Ausführungsformen der hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtungen näher erläutert.
  • Bei diesen Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleichartige oder gleich wirkende Bestandteile mit denselben 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 eine Ausführungsform einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung in einer schematischen Draufsicht. Die optoelektronische Vorrichtung umfasst einen Emitter 1. Der Emitter 1 ist dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung 2 mit zwei Peak-Wellenlängen 21, 22 zu emittieren.
  • Der Emitter 1 umfasst aktive Zonen 13a, 13b. Jede aktive Zone 13a, 13b des Emitters ist dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung mit einer der Peak-Wellenlängen 21, 22 zu emittieren. Zum Beispiel emittiert die erste aktive Zone 13a elektromagnetische Strahlung mit der Peak-Wellenlänge 21 und die zweite aktive Zone 13b des Emitters elektromagnetische Strahlung mit der Peak-Wellenlänge 22. Zum Beispiel ist die Peak-Wellenlänge 22, die von der zweiten aktiven Zone 13b emittiert wird, kleiner als die Peak-Wellenlänge 21, die von der ersten aktiven Zone 13a des Emitters 1 emittiert wird. Der Emitter 1 kann weitere aktive Zonen umfassen, die elektromagnetische Strahlung mit weiteren Peak-Wellenlängen emittieren.
  • Der Emitter 1 wird mit der Eingangsspannung UI betrieben.
  • Die Vorrichtung umfasst ferner einen Empfänger 3. Der Empfänger 3 ist dazu eingerichtet, die elektromagnetische Strahlung zu empfangen und eine Ausgangsspannung UO bereitzustellen.
  • Der Emitter 3 umfasst eine Vielzahl von Photodioden 30, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Jede Photodiode 30 des Empfängers 3 umfasst zwei aktive Bereiche 31, 32. Die Photodioden 30 können so ausgebildet sein, dass sie unterschiedliche aktive Bereiche haben, so dass die Lichtabsorption in allen Photodioden ungefähr gleich ist.
  • Zum Beispiel nehmen die Flächen der aktiven Bereiche von der Mitte zu den Rändern des Empfängers 3 hin zu. Auf diese Weise haben Photodioden 30 an den Rändern des Empfängers 3 einen größeren aktiven Bereich als Photodioden 30 in der Nähe der Mitte des Empfängers 3. Dadurch ist der Strom jeder Photodiode annähernd gleich, auch wenn der Abstand zum Emitter und der Winkel des einfallenden Lichts bei verschiedenen Photodioden unterschiedlich sind. Dadurch wird der Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung verbessert.
  • Der erste aktive Bereich 31 ist so abgestimmt, dass er elektromagnetische Strahlung 2 mit einer Peak-Wellenlänge 22 absorbiert, die eine höhere Energie hat als elektromagnetische Strahlung 2 mit einer Peak-Wellenlänge 21. Der zweite aktive Bereich 32 jeder Photodiode 30 ist so abgestimmt, dass er die elektromagnetische Strahlung 2 mit der Peak-Wellenlänge 21 mit geringerer Energie absorbiert.
  • Die aktiven Bereiche 31, 32 jeder Photodiode 30 sind miteinander in Reihe geschaltet, und alle Photodioden 30 sind miteinander in Reihe geschaltet.
  • Die optoelektronische Vorrichtung, wie sie im Zusammenhang mit 1 erläutert wird, verfügt daher über einen Mehrfachwellenlängen-Emitter 1, der ein Mehrfach-Photodioden-Array anstrahlt, das in jeder Photodiode 30 eine höhere Spannung und einen höheren Strom erzeugt, als dies bei Einfach-Photodioden der Fall ist.
  • Im Zusammenhang mit der schematischen Schnittansicht von 2 wird eine weitere Ausführungsform einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung näher beschrieben. Zusätzlich zu der in Bezug auf 1 beschriebenen Ausführungsform emittiert der Emitter gemäß dieser Ausführungsform die elektromagnetische Strahlung 2 von zwei gegenüberliegenden Seiten 1a, 1b.
  • Auf jeder Seite ist ein Teil 3a, 3b des Empfängers 3 dem Emitter 1 in einer Emissionsrichtung nachgeordnet. Dabei emittiert der Emitter 1 die elektromagnetische Strahlung 2 von beiden Seiten 1a, 1b.
  • Die Teile 3a, 3b des Empfängers 3 umfassen jeweils eine Vielzahl von Mehrfach-Photodioden 30. Alle Photodioden 30 der beiden Teile 3a, 3b des Empfängers 3 sind miteinander in Reihe geschaltet. Damit sind noch höhere Ausgangsspannungen UO und höhere Ströme als bei der Ausführungsform in 1 möglich.
  • Im Zusammenhang mit den schematischen Darstellungen der 3A und 3B wird eine weitere Ausführungsform einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung näher beschrieben.
  • 3A zeigt eine schematische Schnittansicht der Ausführungsform, 3B zeigt eine schematische Draufsicht auf den Emitter 1 dieser Ausführungsform.
  • Bei dieser Ausführungsform umfasst der Emitter 1 aktive Zonen 13a, 13b, 13c, die in lateralen Richtungen L voneinander beabstandet angeordnet sind. Jede aktive Zone 13a, 13b, 13c umfasst eine oberflächenemittierende Vorrichtung, wie zum Beispiel einen VCSEL, eine LED, eine SLED (Superlumineszenz-LED) oder eine andere oberflächenemittierende Vorrichtung.
  • Die aktiven Zonen 13a, 13b, 13c sind in einem Bereich angeordnet, beispielsweise an den Knotenpunkten eines regelmäßigen Gitters.
  • Die aktiven Zonen 13a, 13b, 13c sind dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung mit einer der Peak-Wellenlängen 21, 22, 23 zu emittieren.
  • Der Empfänger 3 setzt sich aus einer Vielzahl von Photodioden 30 zusammen, wobei jede Photodiode 30 aktive Bereiche 31, 32, 33 umfasst, in denen die elektromagnetische Strahlung entsprechend absorbiert wird. Jeder aktive Bereich ist auf eine der Peak-Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung 2 abgestimmt.
  • Die grafische Darstellung in 3C zeigt das Emissionsspektrum eines solchen Emitters 1 mit den Peak-Wellenlängen 21, 22, 23 der elektromagnetischen Strahlung 2.
  • Die aktiven Zonen der Emitter 1, wie sie in den Ausführungsformen der 1 bis 3 dargestellt sind, können monolithisch miteinander verbunden sein, beispielsweise durch Aufwachsen der aktiven Zonen auf einem gemeinsamen Wafer. Die Peak-Wellenlängen der aktiven Zonen können mittels Quantentopfdurchmischung festgelegt werden. Dazu werden nach dem Wachstum der aktiven Zonen durch Quantentopfvermischung unterschiedliche Bandlücken und damit Peak-Wellenlängen für lateral voneinander beabstandete aktive Zonen erzielt.
  • Im Zusammenhang mit den 4A und 4B wird eine weitere Ausführungsform einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung anhand von schematischen Darstellungen beschrieben.
  • 4A zeigt eine schematische Seitenansicht der Ausführungsform. 4B zeigt eine schematische Draufsicht auf den Emitter 1 der Ausführungsform.
  • Bei dieser Ausführungsform werden aktive Nanodrähte oder Nanostäbchen, zum Beispiel Kern-Schale-Nanostäbchen, zur Bildung der aktiven Zonen 13a, 13b des Emitters 1 verwendet. Jeder Nanodraht oder jedes Nanostäbchen fungiert als eine aktive Zone, wobei beispielsweise die Peak-Wellenlänge jeder aktiven Zone durch die Dicke der Quantentöpfe in den aktiven Zonen und/oder den Einbau von beispielsweise Indium festgelegt wird. Diese sind wiederum abhängig vom Durchmesser des Kerns.
  • Der Durchmesser verschiedener Drähte kann beispielsweise durch unterschiedlich große Öffnungen in der dielektrischen Maske, die für die Festlegung der epitaktischen Wachstumsbereiche verwendet wird, unterschiedlich gestaltet werden. Dies ermöglicht ein monolithisches Wachstum der aktiven Zonen, bei dem unterschiedliche Peak-Wellenlängen im selben Aufwachsprozess erzeugt werden.
  • Auch hier ist ein Empfänger 3 in Emissionsrichtung nachgeordnet. Der Empfänger 3 weist beispielsweise eine Vielzahl von Photodioden 30 auf, die jeweils einen aktiven Bereich 31, 32 umfassen, der auf die Peak-Wellenlängen 21, 22 der elektromagnetischen Strahlung 2 abgestimmt ist.
  • Wie in 4B dargestellt, können die Nanodrähte oder Nanostäbchen an den Knotenpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet sein.
  • Im Zusammenhang mit den schematischen Darstellungen von 5A und 5B wird eine weitere Ausführungsform einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung näher beschrieben.
  • 5A zeigt eine schematische Schnittansicht der Ausführungsform. 5B zeigt eine schematische Draufsicht auf den Emitter 1 der Ausführungsform.
  • Bei dieser Ausführungsform weist der Emitter 1 eine aktive Zone 13 auf, die eine Primärstrahlung erzeugt, die von Konvertern 14a bis 14c in die elektromagnetische Strahlung 2 mit den Peak-Wellenlängen 21, 22, 23 umgewandelt wird.
  • Die Konverter werden zum Beispiel aus passiven Nanodrähten gebildet. Es sind jedoch auch Keramik- oder Quantenpunkt-Konverter denkbar.
  • Durch optisches Pumpen und Anregung der Konverter 14a, 14b, 14c wird die elektromagnetische Strahlung 2 erzeugt. Der Emitter 1 umfasst daher eine LED, einen VCSEL oder eine andere Vorrichtung als primäre Lichtquelle. Die Konverter weisen zum Beispiel einen Kern-Schale-Aufbau auf und umfassen Materialien wie GaAs, GaN/AlGaAs, AlGaN. Eine Gitterfehlanpassung zwischen den Materialien der Nanodrähte führt zu einer durchmesserabhängigen Verspannung in jedem Konverter 14a, 14b, 14c und damit zu einer Bandlückenverschiebung, die unterschiedliche Peak-Wellenlängen 21, 22, 23 ermöglicht. Diese durchmesserabhängige Peak-Wellenlänge kann in einem Aufwachsprozess festgelegt werden. Der Empfänger umfasst eine Vielzahl von Photodioden 30, die aktive Bereiche 31, 32, 33 umfassen, die auf eine der Peak-Wellenlängen 21, 22, 23 abgestimmt sind.
  • Die Konverter 14a, 14b, 14c können an den Knotenpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet sein, wie etwa in 5B dargestellt.
  • Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102021126740.4 , 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, was 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
    1a, 1b
    Seite des Emitters
    13, 13a, 13b, 13c
    aktive Zone des Emitters
    14a, 14b, 14c
    Konverter
    2
    elektromagnetische Strahlung
    21, 22, 23
    Peak-Wellenlänge
    3
    Empfänger
    3a, 3b
    Teil des Empfängers
    30
    Photodiode
    31, 32, 33
    aktiver Bereich der Photodiode
    4
    Träger
    UI
    Eingangsspannung
    UO
    Ausgangsspannung
    L
    laterale Richtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102021126740 [0077]

Claims (18)

  1. Optoelektronische Vorrichtung, umfassend - einen Emitter (1), der dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung (2) mit zwei oder mehr Peak-Wellenlängen (21, 22, 23) zu emittieren und mit einer Eingangsspannung (UI) betrieben zu werden, - einen Empfänger (3), der dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung (2) zu empfangen und eine Ausgangsspannung (UO) bereitzustellen.
  2. Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Emitter (1) zwei oder mehr aktive Zonen (13, 13a, 13b, 13c) umfasst und jede aktive Zone (13, 13a, 13b, 13c) dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung mit einer der Peak-Wellenlängen (21, 22, 23) zu emittieren.
  3. Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die aktiven Zonen (13, 13a, 13b, 13c) monolithisch miteinander verbunden sind.
  4. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Peak-Wellenlängen (21, 22, 23) durch Quantentopfdurchmischung festgelegt werden.
  5. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede aktive Zone (13, 13a, 13b, 13c) einen Nanodraht oder ein Nanostäbchen umfasst.
  6. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktiven Zonen (13a, 13b, 13c) in einer lateralen Richtung (L) voneinander beabstandet angeordnet sind.
  7. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Emitter (1) eine kantenemittierende Vorrichtung umfasst und dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung (2) von zwei gegenüberliegenden Seiten (1a, 1b) zu emittieren, und von jeder Seite (1a, 1b) ein anderer Teil (3a, 3b) des Empfängers (3) angestrahlt wird.
  8. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Emitter (1) zwei oder mehr Konverter (14a, 14b, 14c) umfasst und jeder Konverter (14a, 14b, 14c) dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung mit einer der Peak-Wellenlängen (21, 22, 23) zu emittieren.
  9. Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei jeder Konverter (14a, 14b, 14c) einen Nanodraht oder ein Nanostäbchen umfasst.
  10. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Empfänger (3) eine Vielzahl von Photodioden (30) umfasst.
  11. Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei jeder Teil (3a, 3b) des Empfängers eine Vielzahl von Photodioden (30) umfasst.
  12. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Photodioden (30) miteinander in Reihe geschaltet sind.
  13. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Photodiode (30) zwei oder mehr aktive Bereiche (31, 32, 33) umfasst und jeder aktive Bereich (31, 32, 33) auf eine der Peak-Wellenlängen (21, 22, 23) abgestimmt ist.
  14. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingangsspannung (UI) niedriger ist als die Ausgangsspannung (UO).
  15. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flächen der aktiven Bereiche (31, 32, 33) von der Mitte zu den Rändern des Empfängers (3) hin zunehmen.
  16. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Photodiode (30) zwei oder mehr aktive Bereiche (31, 32, 33) umfasst, die in Richtung der die Photodiode (30) durchlaufenden elektromagnetischen Strahlung hintereinander angeordnet sind.
  17. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Photodiode (30) zwei oder mehr aktive Bereiche (31, 32, 33) umfasst, die aktiven Bereiche (31, 32, 33) jeder Photodiode (30) elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind und jeder aktive Bereich (31, 32, 33) auf eine der Peak-Wellenlängen (21, 22, 23) abgestimmt ist, wobei in einem ersten aktiven Bereich (31) elektromagnetische Strahlung mit einer kleineren Peak-Wellenlänge absorbiert wird.
  18. Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die aktiven Bereiche (31, 32, 33) jeder Photodiode (30) durch einen Tunnelübergang oder durch ein transparentes leitfähiges Oxid (TCO) elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind.
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