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Vorliegend wird eine optoelektronische Vorrichtung angegeben.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine optoelektronische Vorrichtung anzugeben, die besonders kompakt ausgebildet werden kann.
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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 Ultraviolettstrahlung 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. Die optoelektronische Vorrichtung umfasst beispielsweise zwei oder mehr Emitter, die parallel zueinander geschaltet sind. Der Emitter oder die Emitter sind dazu eingerichtet, mit einer Eingangsspannung betrieben zu werden.
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Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Empfänger.
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Der Empfänger ist dazu eingerichtet, die elektromagnetische Strahlung eines Emitters zu empfangen und 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.
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Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung sind der Emitter und der Empfänger lateral nebeneinander gewachsen. Insbesondere sind der Emitter und der Empfänger gleichzeitig gewachsen. Das heißt, in lateralen Richtungen sind beide Elemente beispielsweise Seite an Seite angeordnet. Die lateralen Richtungen verlaufen zum Beispiel parallel zu einer Haupterstreckungsfläche einer aktiven Zone des Emitters und/oder eines aktiven Bereichs des Empfängers. Insbesondere sind der Emitter und der Empfänger Halbleiterbauelemente, die entlang einer Wachstumsrichtung epitaktisch auf einem gemeinsamen Aufwachssubstrat aufgewachsen sind, das als Träger für den Emitter und den Empfänger dient. Die lateralen Richtungen verlaufen dann zum Beispiel senkrecht zur Wachstumsrichtung, und die Wachstumsrichtung ist parallel zu einer vertikalen Richtung.
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Das Aufwachssubstrat kann in der Vorrichtung vorhanden sein, oder das Aufwachssubstrat wird abgelöst und beispielsweise durch einen anderen Träger ersetzt. Beispielsweise sind der Emitter und der Empfänger über den Träger physisch miteinander verbunden. So ist es beispielsweise möglich, dass der Emitter und der Empfänger in direktem physischen Kontakt zueinander stehen und beispielsweise durch eine gemeinsame Schicht oder Schichtenfolge verbunden sind.
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Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst diese
- - einen Emitter, der dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung zu emittieren, und dazu eingerichtet ist, mit einer Eingangsspannung betrieben zu werden,
- - einen Empfänger, der dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung zu empfangen, und dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil einer Ausgangsspannung bereitzustellen, wobei
- - der Emitter und der Empfänger lateral nebeneinander gewachsen sind.
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Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst der Empfänger mindestens eine Photodiode. Die Photodiode kann einen Halbleiterkörper mit mindestens einem aktiven oder detektierenden Bereich umfassen, der dazu eingerichtet ist, die vom Emitter im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung zu absorbieren und in elektrische Energie umzuwandeln. Die Photodiode kann zum Beispiel aus demselben Materialsystem wie der Emitter gebildet sein. Insbesondere kann der Empfänger eine Mehrzahl von Photodioden umfassen, die in Reihe oder parallel geschaltet sein können.
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Die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung basiert unter anderem auf den folgenden Überlegungen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 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.
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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 von Mehrfach-Photodioden kann die Leistung eines einzelnen Photodiodenstapels erhöht werden. 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.
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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.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es keine optischen Ausrichtungsprobleme zwischen der Emitter- und der Empfängerseite der Vorrichtung gibt, da Emitter und Empfänger lateral nebeneinander gewachsen sind. Außerdem kann die Vorrichtung mit geringem Aufwand mit einem Gehäuse versehen werden, da Empfänger und Emitter bereits durch einen gemeinsamen Träger verbunden sein können.
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Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst der Emitter eine aktive Zone, die dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, und der Empfänger umfasst einen aktiven Bereich, der dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung zu empfangen, wobei die aktive Zone und der aktive Bereich die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Die Tatsache, dass der aktive Bereich und die aktive Zone die gleiche Zusammensetzung aufweisen können, kann darauf zurückzuführen sein, dass der Emitter und der Empfänger lateral nebeneinander gewachsen sind. Dadurch ist es möglich, dass Emitter und Empfänger zur gleichen Zeit unter den gleichen Wachstumsbedingungen gewachsen sind.
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Dabei ist es auch möglich, dass die aktive Zone des Emitters und der aktive Bereich des Empfängers, die lateral nebeneinander gewachsen sind, eine ähnliche Zusammensetzung aufweisen. Beispielsweise kann die Zusammensetzung des aktiven Bereichs des Emitters und/oder die Zusammensetzung der aktiven Zone des Empfängers nach dem Wachstum durch Implantation von Material oder andere Techniken verändert werden, die zum Beispiel zu einer Quantentopfvermischung in der aktiven Zone oder dem aktiven Bereich führen. Dadurch sind die aktive Zone und der aktive Bereich in diesem Fall nicht mehr von gleicher, sondern von ähnlicher Zusammensetzung.
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Außerdem können der aktive Bereich und die aktive Zone durch „selektives Flächenwachstum“ gewachsen werden. In diesem Fall werden die aktive Zone und der aktive Bereich in verschiedenen dielektrischen Maskenbereichen gewachsen. Mit dieser Technik können unterschiedliche Bandlücken und/oder Dicken des aktiven Bereichs und der aktiven Zone eingestellt werden.
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Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die Vorrichtung einen Träger, wobei der Emitter und der Empfänger lateral beabstandet auf dem Träger angeordnet sind. Wie oben erläutert, kann der Träger zumindest teilweise durch ein Aufwachssubstrat für den Emitter und den Empfänger gebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass der Träger ein anderes Element ist, zum Beispiel eine Leiterplatte wie etwa eine gedruckte Leiterplatte. Mit einem solchen Träger ist es möglich, den Emitter und den Empfänger elektrisch zu verbinden und entsprechend zu betreiben. Zu diesem Zweck kann der Träger auch Schalter und/oder Regler zur Ansteuerung des Emitters und des Empfängers aufweisen.
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Der Emitter und der Empfänger sind lateral beabstandet auf dem Träger angeordnet, beispielsweise so, dass die aktive Zone und der aktive Bereich in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Auch wenn Emitter und Empfänger lateral beabstandet zueinander angeordnet sind, ist es möglich, dass sie nicht nur durch den Träger, sondern durch weitere Elemente der Vorrichtung mechanisch miteinander verbunden sind.
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Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung ist der Emitter ein kantenemittierender Halbleiterchip, der 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.
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Unter einem kantenemittierenden Halbleiterchip wird im vorliegenden Zusammenhang ein strahlungsemittierendes Bauelement verstanden, das die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung quer, insbesondere senkrecht, zu einer Seitenfläche oder Facette des Chips emittiert. Die elektromagnetische Strahlung wird dann beispielsweise durch die Seitenfläche oder Facette hindurch emittiert. Insbesondere kann der kantenemittierende Halbleiterchip 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.
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Der kantenemittierende Halbleiterchip kann zum Beispiel eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode sein, insbesondere eine Superlumineszenzdiode oder ein kantenemittierender Halbleiterlaser.
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Dabei ist es auch möglich, dass der Emitter die elektromagnetische Strahlung von zwei Seiten emittiert, zum Beispiel durch zwei Facetten oder Seitenflächen, die im kantenemittierenden Halbleiterchip einander gegenüber angeordnet sind.
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Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung liegen die aktive Zone des Emitters und der aktive Bereich des Empfängers nebeneinander, und die aktive Zone des Emitters und der aktive Bereich des Empfängers sind miteinander verbunden.
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In diesem Fall sind der Emitter und der Empfänger, die lateral nebeneinander gewachsen sind, während und nach dem Aufwachsen nicht vollständig voneinander getrennt, sondern sie bleiben zumindest in ihrer aktiven Zone beziehungsweise ihrem aktiven Bereich miteinander verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, dass die elektromagnetische Strahlung von der aktiven Zone zum aktiven Bereich durch das sie verbindende Element geleitet werden kann. Auf diese Weise bilden die aktive Zone und der aktive Bereich einen Wellenleiter für die elektromagnetische Strahlung. Damit ist es zum Beispiel möglich, dass die elektromagnetische Strahlung sehr effizient vom Emitter in den Empfänger eingekoppelt werden kann. Dabei ist es auch möglich, dass mehr als ein Empfänger durch die aktive Zone und den aktiven Bereich optisch an denselben Emitter gekoppelt ist.
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Wenn die Verbindung zwischen dem Emitter und dem Empfänger auf Elemente des Emitters und des Empfängers zurückzuführen ist, die während oder nach dem Aufwachsen nicht entfernt werden, können der aktive Bereich und die aktive Zone monolithisch miteinander verbunden sein. Das heißt, sie werden im gleichen Aufwachsprozess gewachsen und nicht nach ihrer Herstellung, sondern während ihrer Herstellung miteinander verbunden.
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Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung ist der Emitter ein oberflächenemittierender Halbleiterchip, der dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung in einer vertikalen Richtung zu emittieren, und der Empfänger ist dazu eingerichtet, die elektromagnetische Strahlung aus der vertikalen Richtung zu empfangen.
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Unter einem oberflächenemittierenden Halbleiterchip 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 montiert ist. Insbesondere kann der oberflächenemittierende Halbleiterchip 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 In(Ga)N, In(Ga)AlP, (Al)GaAs, (In)GaAs basieren.
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Der oberflächenemittierende Halbleiterchip kann zum Beispiel eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode sein, insbesondere eine Superlumineszenzdiode oder ein VCSEL.
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Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung ist ein optisches System vorhanden, das die elektromagnetische Strahlung vom Emitter zum Empfänger lenkt oder leitet. Das optische System umfasst beispielsweise ein oder mehrere optische Elemente wie reflektierende und/oder streuende und/oder beugende optische Vorrichtungen. Das optische System ist dem Emitter in vertikaler Richtung nachgeordnet. Die vom Emitter emittierte elektromagnetische Strahlung wird beispielsweise entlang einer Oberseite des Emitters und in eine Oberseite des Empfängers geleitet, wo sie absorbiert wird.
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Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung ist das optische System in einen Vergusskörper für den Emitter und den Empfänger integriert oder das optische System ist Teil des Vergusskörpers. Gemäß diesem Aspekt sind der Emitter und der Empfänger, beispielsweise an nicht vom Träger bedeckten Flächen, von einem Vergusskörper bedeckt, der mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist. Dieses elektrisch isolierende Material ist für die elektromagnetische Strahlung durchlässig. Der Vergusskörper umfasst zum Beispiel eine Silikonmasse, eine Epoxidmasse oder ein Glasmaterial, zum Beispiel ein Spin-On Glas. Die Vergussmasse bildet einen mechanischen und chemischen Schutz für den Emitter und den Empfänger vor äußeren Einflüssen. Das optische System umfasst beispielsweise optische Elemente, die durch verspiegelte Außenflächen des Vergusskörpers gebildet werden, oder Außenflächen des Vergusskörpers sind zur internen Totalreflexion von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet.
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Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Empfängern, die in Reihe geschaltet sind, und/oder eine Mehrzahl von Emittern, die parallel zueinander geschaltet sind. Das heißt, eine Mehrzahl von Empfängern, beispielsweise gleicher Zusammensetzung, und/oder eine Mehrzahl von Emittern, beispielsweise gleicher Zusammensetzung, sind lateral nebeneinander gewachsen und beispielsweise auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass ein Emitter einer Mehrzahl von Empfängern zugeordnet ist, wobei „zugeordnet“ bedeutet, dass die von diesem Emitter erzeugte elektromagnetische Strahlung in die zugeordneten Empfänger eingekoppelt und von diesen absorbiert wird.
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Bei einer solchen Vorrichtung ist es zum Beispiel möglich, dass die Eingangsspannung der Vorrichtung niedriger ist als die Ausgangsspannung. Die optische Vorrichtung kann dann dazu verwendet werden, eine niedrigere Spannung in eine höhere Spannung umzuwandeln.
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Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die Vorrichtung ferner eine Bypass-Diode für den Empfänger, wobei die 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 nicht funktionierender oder nicht betriebener Empfänger nicht durch eine Sperrspannung zerstört, sondern der Strom kann durch die antiparallel geschaltete Bypass-Diode fließen.
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Gemäß zumindest einem Aspekt der optoelektronischen Vorrichtung sind die Bypass-Diode und der Empfänger physisch miteinander verbunden. Dabei ist es zum Beispiel möglich, dass die Bypass-Diode und der Empfänger monolithisch miteinander verbunden oder aneinander gebondet sind. Monolithisch verbunden bedeutet hier, dass die Bypass-Diode epitaktisch auf den Empfänger aufgewachsen sein kann. Weiterhin ist es möglich, dass die Bypass-Diode und der Empfänger lateral nebeneinander gewachsen sind. Auf diese Weise sind beide Elemente beispielsweise in lateraler Richtung Seite an Seite angeordnet. In diesem Fall handelt es sich bei der Bypass-Diode und dem Empfänger um Halbleiterbauelemente, die entlang einer Wachstumsrichtung epitaktisch auf einem gemeinsamen Aufwachssubstrat aufgewachsen sind, das als Träger für den Emitter und den Empfänger dient.
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Im Folgenden wird die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
- Anhand der schematischen Zeichnungen der 1A, 1B, 1C, 2, 3, 4, 5A, 5B, 6A und 6B werden Ausführungsformen der hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtungen näher erläutert.
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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.
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1A zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer hier beschriebenen Vorrichtung. Die 1B und 1C zeigen jeweilige Schnittansichten.
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In der Ausführungsform der 1A bis 1C umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Emitter 1, der zur Emission von elektromagnetischer Strahlung 2 eingerichtet ist und dazu eingerichtet ist, mit einer Eingangsspannung UI betrieben zu werden. Dazu umfasst die Vorrichtung beispielsweise drei Emitter 1, die parallel zueinander geschaltet sind.
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Die optoelektronische Vorrichtung umfasst ferner Empfänger 3, die dazu eingerichtet sind, die elektromagnetische Strahlung 2 zu empfangen, und dazu eingerichtet sind, zumindest einen Teil einer Ausgangsspannung bereitzustellen. Dazu umfasst die Vorrichtung beispielsweise drei Empfänger 3, die miteinander in Reihe geschaltet sind.
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Jeder Emitter 1 umfasst zum Beispiel einen ersten Kontakt 11 zum elektrischen Anschluss des Emitters, einen zweiten Kontakt 12 und eine aktive Zone 13, in der die elektromagnetische Strahlung 2 erzeugt wird. Der Emitter umfasst ferner eine erste dotierte Zone 15 und eine zweite dotierte Zone 16, zwischen denen die aktive Zone angeordnet ist. Der Emitter 1 der Ausführungsform der 1A bis 1C ist zum Beispiel ein kantenemittierender Laserchip.
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Der benachbart und lateral beabstandet zum Emitter 1 angeordnete Empfänger 3 umfasst beispielsweise einen ersten Kontakt 31, einen zweiten Kontakt 32 und einen aktiven Bereich 33 zur Absorption der elektromagnetischen Strahlung 2, der zwischen einem ersten dotierten Bereich 35 und einem zweiten dotierten Bereich 36 angeordnet ist.
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Emitter 1 und Empfänger 3 sind auf einem Träger 4 angeordnet, der zum Beispiel eine Leiterplatte sein kann, mit der die Bauelemente der optoelektronischen Vorrichtung elektrisch kontaktiert und gesteuert werden können.
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Die Emitter 1 und Empfänger 3 können zum Beispiel zumindest teilweise von einem elektrisch isolierenden Vergusskörper 6 umgeben sein, der einen chemischen und mechanischen Schutz der Emitter 1 und Empfänger 3 bildet. Bei dieser Ausführungsform liegen Emitter 1 und Empfänger 3, einander zugeordnet, nebeneinander und die aktive Zone 13 des Emitters 1 und der aktive Bereich 33 des Empfängers 3 sind miteinander verbunden. Dazu werden beispielsweise die dotierten Bereiche und Zonen zwischen dem Emitter 1 und dem Empfänger 3 zumindest teilweise entfernt.
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Wie zum Beispiel aus 1C ersichtlich, sind die Empfänger durch eine elektrische Verbindung 7 in Reihe geschaltet, die den zweiten Kontakt 32 des Empfängers 3 mit dem ersten Kontakt 31 eines benachbarten Empfängers 3 verbindet. Die elektrische Verbindung 7 kann in den Vergusskörper 6 eingebettet sein und durch diesen Vergusskörper elektrisch und chemisch vor äußeren Einflüssen geschützt werden.
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Bei der Ausführungsform der 1A bis 1C sind der Emitter 1 und der zugeordnete Empfänger 3 durch ihre aktive Zone und ihren aktiven Bereich miteinander verbunden. Es ist jedoch auch möglich, zwischen dem Emitter 1 und dem Empfänger 3 Rillen durch das gesamte Material zu ätzen und die beiden Bauelemente so voneinander zu trennen. In jedem Fall reduziert die zumindest teilweise Trennung zwischen Emitter 1 und Empfänger 3 die Wirkung einer hohen Eingangsspannung am Empfänger 3 auf die Emitter. Bei den Emittern 1 kann es sich beispielsweise um DFB-Laser (DFB: distributed feedback) oder DBR-Laser (DBR: distributed Bragg reflector) handeln, um die Emissionswellenlänge der elektromagnetischen Strahlung 2 so einzustellen, dass eine optimale Absorption in den Empfängern 3 erreicht wird.
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Die schematische Schnittdarstellung der 2 zeigt eine Ausführungsform einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung, bei der im Vergleich zur Ausführungsform der 1A bis 1C eine zusätzliche Reihe von Empfängern hinter einer ersten Reihe von Empfängern angeordnet ist und weitere Reihen von Empfängern 3 an einer von der ersten Reihe von Empfängern 3 abgewandten Seite des Emitters 1 angeordnet sind. In diesem Fall koppelt jeder Emitter seine Strahlung zum Beispiel in vier Empfänger ein, die alle miteinander in Reihe geschaltet werden können. Mit einer solchen Anordnung kann eine höhere Ausgangsspannung erreicht werden. Darüber hinaus ist es möglich, auf die gleiche Weise weitere Empfänger für jeden Emitter hinzuzufügen.
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Bei allen Ausführungsformen können sowohl der Emitter 1 als auch der Empfänger 3 Bauelemente mit Mehrfachübergängen und optional mit Mehrfachwellenlängen sein, wodurch höhere Spannungen und/oder höhere Ströme möglich sind.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst einen Emitter 1, der einen oberflächenemittierenden Halbleiterchip umfasst. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Empfänger 3, der mindestens eine Photodiode umfasst. Emitter 1 und Empfänger 3 sind auf der Oberseite eines Trägers 4 angeordnet.
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Der Emitter 1 weist eine Strahlungsaustrittsfläche auf, die von der Oberseite des Trägers 4 abgewandt ist. Der Empfänger 3 weist eine vom Träger 4 abgewandte Strahlungseintrittsfläche auf.
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Der Emitter 1 und der Empfänger 3 sind von einem gemeinsamen Vergusskörper 6 umgeben. Der Vergusskörper 6 ist mit einem transparenten Material gebildet, das für die Wellenlänge der im Emitter 1 erzeugten elektromagnetischen Strahlung 2 durchlässig ist. Die elektromagnetische Strahlung 2 liegt zum Beispiel in einem Wellenlängenbereich von mindestens 350 bis höchstens 1600 nm. Der Vergusskörper 6 kann beispielsweise aus einer Vergussmasse auf Epoxidbasis, einer Vergussmasse auf Silikonbasis oder einer Vergussmasse auf Glasbasis bestehen. Der Vergusskörper 6 ist auf dem Emitter 1 und dem Empfänger 3 ausgebildet und bedeckt Oberflächen dieser Bauelemente, die nicht vom Träger 4 bedeckt sind.
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Der Vergusskörper 6 bildet ein optisches System 5 zur Lenkung, Führung und/oder Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung 2.
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Bei der Ausführungsform von 3 umfasst das optische System 5 optische Elemente 51, die als reflektierende Flächen ausgebildet sind. Die vom Emitter 1 emittierte elektromagnetische Strahlung 2 wird zunächst an einem optischen Element 51 so reflektiert, dass sie parallel zur Haupterstreckungsebene beziehungsweise Deckfläche des Trägers 4 verläuft. Nach weiterer Reflexion an einem anderen optischen Element 51 verläuft die elektromagnetische Strahlung 2 senkrecht zur Haupterstreckungsebene beziehungsweise Deckfläche des Trägers 4 und trifft auf den Empfänger 3 an dessen Strahlungseintrittsseite auf.
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An den Emitter 1 wird eine Eingangsspannung UI angelegt. Eine Ausgangsspannung UO wird vom Empfänger 3 empfangen. Die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung können identisch oder unterschiedlich sein. Die optoelektronische Vorrichtung kann also zur Übertragung von Energie und/oder zur Umwandlung von Spannung eingerichtet sein.
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Die Umlenkung der elektromagnetischen Strahlung 2 an den optischen Elementen 51 kann zum Beispiel durch interne Totalreflexion erfolgen, oder die Außenfläche des Vergusskörpers 6 kann mit einem reflektierenden Material beschichtet sein, das dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung 2, etwa aus dem Infrarotbereich, zu reflektieren. Das optische Element 51 kann zum Beispiel eine Beschichtung aus Gold oder Silber aufweisen.
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Im Zusammenhang mit der schematischen Schnittansicht von 4 wird eine weitere Ausführungsform einer hier beschriebenen Vorrichtung näher erläutert.
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Bei der Ausführungsform von 4 umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Empfängern 3, die auf der Oberseite des Trägers 4 beispielsweise punktsymmetrisch um den Emitter 1 angeordnet sind, der zum Beispiel einen einzelnen oberflächenemittierenden Halbleiterchip umfasst. Der Emitter 1 und der Empfänger 3 sind von einem Vergusskörper 6 umgeben, der ein optisches System 5 bildet, das ein strahlungsreflektierendes optisches Element 51 aufweist. Das optische Element 51 lenkt die im Emitter 1 erzeugte elektromagnetische Strahlung 2 auf die Strahlungseintrittsseiten der Empfänger 3 um. In diesem Fall ist das optische Element 51 beispielsweise als kegelförmige Aussparung im Vergusskörper 6 ausgebildet, wobei die Seitenfläche des Kegels reflektierend ist.
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Im Zusammenhang mit den schematischen Ansichten von 6A und 6B wird eine weitere Ausführungsform einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung erörtert. Hier ist jedem Empfänger 3 der Vorrichtung eine Bypass-Diode 8 zugeordnet. Die Bypass-Diode 8 kann zum Beispiel monolithisch mit dem Empfänger 3 verbunden sein oder sie ist an den Empfänger 3 gebondet. Die Bypass-Diode 8 umfasst einen pn-Übergang, der durch einen ersten dotierten Bereich 85 und einen zweiten dotierten Bereich 86 gebildet wird und antiparallel zum pn-Übergang des Empfängers 3 geschaltet ist, siehe 6B. Die Bypass-Diode 8 kann den Empfänger 3 überbrücken, falls der Empfänger 3 nicht vom Emitter 1 bestrahlt wird oder der Empfänger 3 defekt ist. Auf diese Weise wird der Empfänger 3 beispielsweise nicht durch eine Sperrspannung zerstört.
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Eine Verbindung zwischen der Bypass-Diode 8 und dem Empfänger 3 kann zum Beispiel über die Kontakte 31 und 32 des Empfängers 3 hergestellt werden, wie in 6B dargestellt.
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Bei der hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung ist es weiterhin möglich, dass alle Emitter 1 so eingerichtet sind, dass sie unabhängig voneinander betrieben werden können. Das heißt, dass zum Beispiel alle Emitter 1 unabhängig voneinander geschaltet werden können, so dass jeder Emitter 1 betrieben werden kann oder nicht. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, defekte Emitter abzuschalten oder die Ausgangsspannung der optoelektronischen Vorrichtung zu steuern.
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Außerdem können alle Empfänger 3 so eingerichtet sein, dass sie unabhängig voneinander betrieben werden können. Das heißt, jeder Empfänger 3 kann unabhängig voneinander auf Betrieb oder Nichtbetrieb geschaltet werden. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, Paare von Emittern 1 und Empfängern 3 ein- und auszuschalten und so die Eingangsspannung UI und die Ausgangsspannung UO zu steuern.
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Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der
deutschen Patentanmeldung 102021126769.2 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen wird.
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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.
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Bezugszeichen
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- 1
- Emitter
- 11
- erster Kontakt des Emitters
- 12
- zweiter Kontakt des Emitters
- 13
- aktive Zone des Emitters
- 15
- erste dotierte Zone des Emitters
- 16
- zweite dotierte Zone des Emitters
- 2
- elektromagnetische Strahlung
- 3
- Empfänger
- 31
- erster Kontakt des Empfängers
- 32
- zweiter Kontakt des Empfängers
- 33
- aktiver Bereich des Empfängers
- 35
- erster dotierter Bereich des Empfängers
- 36
- zweiter dotierter Bereich des Empfängers
- 4
- Träger
- 5
- optisches System
- 51...56
- optische Elemente
- 6
- Vergusskörper
- 7
- elektrische Verbindung
- 8
- Bypass-Diode
- 81
- erster Kontakt der Bypass-Diode
- 82
- zweiter Kontakt der Bypass-Diode
- 85
- erster dotierter Bereich der Bypass-Diode
- 86
- zweiter dotierter Bereich der Bypass-Diode
- UI
- Eingangsspannung
- UO
- Ausgangsspannung
- L
- laterale Richtung
- V
- vertikale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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