EP3973580A1 - Photodetektor mit verbessertem detektionsergebnis - Google Patents

Photodetektor mit verbessertem detektionsergebnis

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EP3973580A1
EP3973580A1 EP20726408.6A EP20726408A EP3973580A1 EP 3973580 A1 EP3973580 A1 EP 3973580A1 EP 20726408 A EP20726408 A EP 20726408A EP 3973580 A1 EP3973580 A1 EP 3973580A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical cavity
layer
detection cell
optoelectronic component
wavelength
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20726408.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rico Meerheim
Robert Brückner
Matthias JAHNEL
Karl Leo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Senorics GmbH
Original Assignee
Senorics GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Senorics GmbH filed Critical Senorics GmbH
Publication of EP3973580A1 publication Critical patent/EP3973580A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic radiation-sensitive element covered by group H10K30/00
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    • H10K39/32—Organic image sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
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    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
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    • H01L27/1443—Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier
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    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Definitions

  • the invention relates to a photodetector for spectrally selective detection of electromagnetic radiation, which has an optoelectronic component with an optical cavity and at least one detection cell arranged therein and enables an improved detection result.
  • Photodetectors for spectrally selective detection of electromagnetic radiation are used for the qualitative and quantitative detection of electromagnetic radiation, also referred to below as light, of a specific wavelength in an incident radiation.
  • the incident radiation is broadband radiation that contains light of many different wavelengths.
  • Such photodetectors often have filters or an optical cavity, which only allows specific wavelengths of the incident radiation to resonate within the cavity.
  • the optical cavity is created by mirrors, at least one of which is semi-transparent and which are arranged at a distance L from one another. Within the optical cavity, the radiations (electromagnetic waves) of the resonance wavelengths are reflected and amplified several times between the mirrors and pass through a photoactive layer that converts the electromagnetic radiation into electrical power.
  • Each of the resonance waves has a natural number of oscillation maxima within the optical cavity and is called a resonance wave i. Denotes order, where i corresponds to the number of oscillation maxima. All 1st to nth order resonance waves formed contribute to the electrical signal of the photodetector. This means that a specific wavelength of the resonance waves can only be detected in a restricted range for the wavelength to be detected or with great external effort, e.g. by upstream filters or a complex evaluation of the measured electrical signal.
  • Another essential factor for the accuracy of the detection of a specific wavelength in the optical cavity is the width of the wavelength range amplified by the optical cavity. Because although individual resonance wavelengths were mentioned above, with ideally only these individual resonance wavelengths forming standing waves, in reality a certain wavelength range around the individual resonance wavelengths is amplified in the optical cavity and forms standing waves.
  • the amplification of the optical cavity which determines the external quantum efficiency (EQE) for a given wavelength, is approximately a sequence of super-Gaussian distributions or Lorentz distributions, the maximum value in each case being at a resonance wavelength.
  • the resonance wavelengths are plotted spectrally, ie in the representation of the magnitude of the gain of the photodetector over the wavelength, recognizable as a peak.
  • the peak width is the width of the wavelength range in which the peak lies and at the limits of which the gain has reached half of the maximum.
  • the object of the present application is to provide a photodetector for the spectrally selective detection of electromagnetic radiation with an optical cavity, which enables improved detection.
  • a space-saving construction of a photodetector for the detection of electromagnetic radiation of several different wavelengths is to be provided, which allows miniaturization of the detectors or spectrometers.
  • a photodetector for spectrally selective detection of electromagnetic radiation contains a first optoelectronic component for detecting a first wavelength of the electromagnetic radiation.
  • the mere presence or absence of the first wavelength in the electromagnetic radiation incident on the photodetector (qualitative statement) and / or the intensity of the radiation of the first wavelength in the incident electromagnetic radiation (quantitative statement) can be detected.
  • the first optoelectronic component has a first optical cavity and at least one detection cell arranged in the first optical cavity.
  • the first optical cavity is formed by two parallel mirror layers which are spaced apart from one another.
  • the distance between the two mirror layers is referred to as the physical length of the optical cavity, hereinafter also referred to as the length of the optical cavity for short.
  • the length of the first optical cavity is designed in such a way that a resonance wave i associated therewith occurs for the first wavelength. Forms order in the first optical cavity.
  • the following relationship generally applies to the ratio of a wavelength of the incident radiation that fulfills the resonance criterion and the physical length of the optical cavity: where L is the physical length of the optical cavity, l the incident wavelength, a the angle of incidence of the incident radiation with respect to the normal to the surface of the optoelectronic component on which the incident radiation strikes, n the effective refractive index over the entire optical cavity and possibly further intervening layers and i is the order of the resonance wave resulting from the incident wavelength. I is a natural number. According to the order i of the resonance wave belonging to the first wavelength, the optoelectronic component is also used as component i. Called order.
  • the resonance wave is spoken of in the following description, what is meant is the resonance wave that belongs to the wavelength to be detected in the respective optoelectronic component, unless expressly stated otherwise.
  • Each detection cell arranged in the first optical cavity contains a photoactive layer.
  • the photoactive layer preferably extends over the entire cross-sectional area of the first optical cavity, the cross-sectional area running perpendicular to the length of the first optical cavity.
  • the photoactive layer of a detection cell is arranged within the first optical cavity in such a way that exactly one oscillation maximum of the resonance wave lies within the photoactive layer. In other words: depending on the order of the resonance wave generated by the first wavelength to be detected, the photoactive wave is Layer arranged within the optical cavity. The location of the oscillation maximum, i.e.
  • the location of the intensity maximum of the electromagnetic field of the resonance wave is preferably in the center of the photoactive layer based on the thickness of the photoactive layer, which is measured in the direction of the length of the first optical cavity.
  • the layer thickness of the photoactive layer is preferably dimensioned in such a way that a node of the resonance wave which is adjacent to the oscillation maximum lying in the photoactive layer is no longer in the photoactive layer.
  • the order of the resonance wave of the first optoelectronic component is greater than 1.
  • a first wavelength which forms a resonance wave of the 2nd, 3rd, 4th or higher order in the first optical cavity, is detected , since the photoactive layer is arranged in exactly one oscillation maximum of this resonance wave. Since higher-order resonance waves have significantly smaller peak widths than first-order resonance waves, which were detected in the prior art, a finer differentiation of different wavelengths, ie a better spectral resolution of the photodetector, can be achieved.
  • At least one of the detection cells has a first charge transport layer and a second charge transport layer, the photoactive layer being arranged between the first and the second charge transport layer.
  • the individual layers are arranged one above the other along the length of the first optical cavity.
  • the first and second charge transport layers also preferably extend over the entire cross-sectional area of the first optical cavity, the first charge transport layer being adjacent to a first surface of the photoactive layer and the second charge transport layer being adjacent to a second surface of the photoactive layer and the second surface being opposite the first surface .
  • the charge transport layers serve to improve the charge extraction from the photoactive layer and its conduction to electrical contacts, also called electrodes, which forward the electrical signals generated in the detection cell to an evaluation unit which is suitable for evaluating them.
  • charge transport layers are particularly advantageous in the case of very thin photoactive layers with a thickness of less than 10 nm and then formed with a thickness greater than or equal to 10 nm.
  • the charge transport layers can also be made very thin, for example with a thickness in the range from 1 nm to 5 nm, which means that they can also be referred to as injection or extraction layers. In both cases, the charge transport layers do not always have to be doped layers.
  • the mirror layers can be designed as highly reflective metallic layers, for example made of silver (Ag) or gold (Au), semitransparent mixed metal layers, for example made of Ag: Ca, or as dielectric mirrors (DBR - distributed Bragg reflector). At least one of the mirror layers is semitransparent in order to allow the incident light into the optical cavity, while the other mirror layer can be opaque. This property can be set, for example, via the thickness of the mirror layer and / or the materials and mixing ratios of the constituents of the mirror layers, which is known to the person skilled in the art.
  • the mirror layers consist of a material with good electrical conductivity, such as a conductive oxide, a conductive organic compound or a metal
  • the mirror layers can act as electrodes for forwarding the electrical signals generated in the detection cell to an evaluation unit that is suitable for evaluating them, serve.
  • the evaluation unit is not necessarily part of the photodetector, but can be rigidly connected to it and on or in the same substrate, on which the photodetector is formed.
  • a thin layer of a material with good electrical conductivity for example a thin metal layer, can be arranged on the last dielectric layer of the mirror layer facing the detection cell, so that in this case too the mirror layer can serve as an electrode. Further options for making electrical contact with the detection cells are explained later.
  • fullerenes for example C60 or C70
  • donors such as materials from the group of substances Phthalocyanines (such as zinc phthalocyanine or iron phthalocyanine), pyrans, e.g. bispyranilides (also abbreviated to TPDP), fulvalene, e.g. tetrathiofulvalene (also abbreviated to OMTTF) and aromatic amines (e.g.
  • N, N, N ', N'-Tetrakis 4-methoxyphenyl) benzidine (also abbreviated to MeO-TPD), 2,7-bis [N, N-bis (4-methoxyphenyl) amino] 9,9-spirobifluorene (also abbreviated to Spiro-MeO-TPD) or 4,4 ', 4 "-Tris (3-methylphenylphenylamino) triphenylamine (also abbreviated to m-MTDATA)), the bisthiopyranilidenes, the bipyridinylidenes or the diketopyrrolopyrroles.
  • 4-methoxyphenyl) benzidine also abbreviated to MeO-TPD
  • 2,7-bis [N, N-bis (4-methoxyphenyl) amino] 9,9-spirobifluorene also abbreviated to Spiro-MeO-TPD
  • HATCN a-NPB
  • Any other desired photoactive materials can of course also be used, for example polymers, welc He was generated by means of liquid processing, such as from the group of polythiophenes (e.g. poly (2,5-bis (3-alkylthiophene-2-yl) thieno [3,2-b] thiophenes (also abbreviated to pBTTT).
  • polythiophenes e.g. poly (2,5-bis (3-alkylthiophene-2-yl) thieno [3,2-b] thiophenes (also abbreviated to pBTTT).
  • a photoactive layer preferably has a thickness in the range from 0.1 nm to 1 ⁇ m, the thickness of the photoactive layer depending both on the material of the photoactive layer and on the overall structure of the optoelectronic component. Particularly preferred is the thickness of the photoactive layer for charge transfer photodiodes (CTPD) which use the direct interchromophoric charge transfer state, e.g. C60: TPDP, in the range from 10 nm to 1000 nm, while for photodiodes which use direct material absorption and in bulk or flat heterojunctions (BHJ, FHJ) they separate the charge carriers, e.g. C60: ZnPc, in the range from 0.1 nm to 100 nm.
  • CPD charge transfer photodiodes
  • aromatic amines such as N, N, N ', N'-tetrakis (4-methoxyphenyl) benzidines (also abbreviated to MeO-TPD), 2,7-bis [N, N-bis (4-methoxy- phenyl) amino] 9,9-spiro-bifluorene (also abbreviated to Spiro-MeO-TPD) or N4, N4'- bis (9,9-dimethyl-9H-fluoren-2-yl) -N4, N4'-diphenylbiphenyl- 4,4'-diamine (also abbreviated to BF-DPB) or 9,9-bis [4- (N, N-bis-biphenyl-4-yl-amino) phenyl] -9H-fluorene (also abbreviated to BPAPF)) or Polymers such as Po-3,4-ethylenedioxythiophene poly (styrene sulfonate), 2,7
  • the material of the first charge transport layer differs from the material of the second charge transport layer of a detection cell in that one material is an electron-conducting material and the other is a hole-conducting material.
  • the material of the charge transport layers can be a doped material, but does not have to be.
  • the electrical conductivity of the charge transport layers is preferably in the range of greater than 10 5 S / cm.
  • the thickness of the charge carrier transport layers is preferably in the range from 1 nm to 100 nm, the thickness generally decreasing as the number of detection cells in the first optical cavity increases. Furthermore, the thickness of the first charge transport layer of a detection cell can be different from the thickness of the second charge transport layer of this detection cell.
  • the photoactive layers and - if present - the first charge transport layers and the second charge transport layers of the different detection cells can differ from one another in terms of material and thickness.
  • the sum of the thicknesses of all layers present in the first optical cavity is equal to the length of the first optical cavity.
  • the number of detection cells arranged in the first optical cavity corresponds to the order of the resonance wave.
  • the first optoelectronic component contains exactly two detection cells, the photoactive layers of which are each arranged in exactly one and different vibration maximum of the resonance wave, if the first wavelength belonging to the 2nd order resonance wave is to be detected; contains exactly three detection cells if the first wavelength belonging to the 3rd order resonance wave is to be detected, etc.
  • the detection cells are arranged one above the other along the length of the first optical cavity, but do not have to adjoin one another.
  • a smaller number of detection cells than the order of the resonance wave can also be arranged in the first optical cavity. So is for example Detection of a resonance wave of the second, third or higher order, in principle, a detection cell is sufficient, the photoactive layer of which is arranged within the optical cavity in such a way that precisely one oscillation maximum of the resonance wave lies therein. This simplifies the production of the photodetector and reduces the production costs by using simple and inexpensive materials instead of the detection cells that are not formed.
  • At least one optically absorbing intermediate layer is preferably arranged in the first optical cavity in such a way that precisely one oscillation node of the resonance wave lies in the optically absorbing intermediate layer.
  • a plurality of optically absorbing intermediate layers are preferably arranged so that each node of the resonance wave lies in exactly one optically absorbing intermediate layer.
  • the at least one optically absorbing intermediate layer serves to absorb resonance waves of a different order than that of the resonance wave belonging to the first wavelength. In particular, resonance waves which are adjacent to the resonance wave belonging to the first wavelength are canceled in the nodes, while the resonance wave belonging to the first wavelength is hardly influenced. In this way, the assignment of a detected electrical signal to the first wavelength can be ensured for a larger range of the first wavelength and the possible uses of such a photodetector can be increased.
  • At least one of the optically absorbing intermediate layers is directly adjacent to a detection cell, that is to say to the photoactive layer or to one of the charge transport layers, if these are present, this detection cell, and consists of an electrically conductive material. It is also suitable for being connected in an electrically conductive manner to an evaluation unit which is suitable for evaluating the electrical signals generated by the at least one detection cell of the first optoelectronic component.
  • a detection cell that is to say to the photoactive layer or to one of the charge transport layers, if these are present, this detection cell, and consists of an electrically conductive material. It is also suitable for being connected in an electrically conductive manner to an evaluation unit which is suitable for evaluating the electrical signals generated by the at least one detection cell of the first optoelectronic component.
  • Such an intermediate layer thus serves as an electrical contact for tapping the electrical signals from the detection cell, even if the photoactive layer or a corresponding charge transport layer, if present, of the relevant detection cell does not directly adjoin an electrically conductive mirror layer
  • At least one optically transparent contact layer is arranged in the first optical cavity, which is directly attached to a detection cell, that is to say the photoactive layer or, if present, to one of the charge transport layers of this Detection cell, adjoins and consists of an electrically conductive material.
  • This contact layer is suitable for being connected in an electrically conductive manner to an evaluation unit which is suitable for evaluating the electrical signals generated by the at least one detection cell of the first optoelectronic component. It thus serves as an electrical contact to pick up the electrical signals from the detection cell, even if the photoactive layer or a corresponding charge transport layer, if present, of the relevant detection cell does not directly adjoin an electrically conductive mirror layer or an electrically conductive intermediate layer. It is optically transparent in particular for the resonance wavelength belonging to the first wavelength.
  • an optically absorbing intermediate layer layers of organic small molecules, organic mixed layers or polymers, e.g. highly doped hole-conducting materials such as MeO-TPD: F6TCNNQ or PEDOT: PSS with quantum dots (QD) are used.
  • the optically absorbing intermediate layer is to be electrically conductive, metals such as Ag or metal mixtures such as Ag: Ca or conductive oxides such as indium tin oxide (ITO) or zinc oxide (ZnO) or aluminum-doped zinc oxide (AZO) can also be used.
  • An optically transparent contact layer can also consist of the same materials. The optical and electrical properties of such an intermediate or contact layer can be adjusted via the thickness and the mixture of the materials.
  • the thickness of the layers for metals is preferably in the range from 0.1 nm to 40 nm, more preferably in the range from 5 nm to 10 nm, while for polymers or oxides in the range from 20 nm to 100 nm, more preferably in the range from 30 nm to 60 nm, with small thicknesses associated with greater optical transparency
  • An optically absorbing layer in the context of this application which is used as an optically absorbing intermediate layer, is understood to mean a layer which is suitable for absorbing so much energy of a specific electromagnetic wave that it is extinguished.
  • a specific electromagnetic wave has a wavelength which is different from the resonance wavelength assigned to the first wavelength.
  • the material of the optically absorbing layer can only be absorbent for wavelengths that are different from the resonance wavelength assigned to the first wavelength, while it is not absorbent for the resonance wavelength assigned to the first wavelength.
  • a layer made of a material with a very high absorption coefficient k can thus be made very thin, while a layer made of a material with a comparatively low absorption coefficient k must be made correspondingly thicker in order to achieve the extinction of a specific electromagnetic wave.
  • an optically transparent layer which is used, for example, as a spacer layer or as an optically transparent contact layer, is understood to mean a layer that absorbs as little energy as possible from a specific electromagnetic wave and thus hardly or at least less than the photoactive layer influenced.
  • the specific electromagnetic wave is that which has the resonance wavelength assigned to the first wavelength.
  • the product of the absorption coefficient k of the material at the wavelength of the specific electromagnetic wave and the thickness d of the layer as well as the energy E of the specific electromagnetic wave in the area of the layer has a value of less than 1 (k - d - E ⁇ 1 - E).
  • a layer made of a material with a very small absorption coefficient k can be made relatively thick, while a layer made of a material with a comparatively higher absorption coefficient k must be made correspondingly thinner in order to keep the influence of a specific electromagnetic wave low.
  • Typical absorption coefficients for metals are, for example, in the range of greater than 0.5, while typical materials for the photoactive layers have absorption coefficients of less than 0.01. Typical materials for charge transport layers have absorption coefficients of less than 0.1.
  • the mirror layer then no longer required for the electrical contact can be optimized for its optical, ie reflective or semitransparent, properties.
  • the first optoelectronic component has at least one external contact which is adjacent to an external surface of a detection cell, that is to say to an external surface of the photoactive layer or one of the charge transport layers, if present, and consists of an electrically conductive material.
  • This external contact is suitable to be connected in an electrically conductive manner to an evaluation unit which is suitable for evaluating the electrical signals generated by the at least one detection cell of the first optoelectronic component.
  • Such an external contact thus serves as an electrical contact for tapping the electrical signals from the relevant detection cell, even if the photoactive layer or a charge transport layer, if present, of this detection cell is not directly adjacent to an electrically conductive mirror layer or an electrically conductive intermediate layer or contact layer.
  • metals such as Ag or Au are used as materials for such an external contact.
  • the first optoelectronic component preferably has at least two such external contacts which are arranged on opposite sides of the detection cell.
  • the opposite sides are corresponding sides of the detection cell which are spaced from one another along the length of the optical cavity, for example a first side of the photoactive layer facing the first mirror layer and a second side of the photoactive layer facing the second mirror layer or the first charge transport layer and the second charge transport layer.
  • the two external contacts must be electrically isolated from one another in each case.
  • At least one optically transparent spacer layer is arranged in the first optical cavity, the spacer layer between one of the mirror layers and a detection cell adjacent to this mirror layer is arranged.
  • the optically transparent spacer layer is a layer which hardly influences at least the standing wave with the resonance wavelength assigned to the first wavelength, as has been described above.
  • the material and the thickness of the spacer layer are selected according to the conditions described above, the thickness also depending on the thicknesses of the other layers present in the optical cavity and the length of the optical cavity.
  • an optically transparent spacer layer of the type described above is arranged between two detection cells arranged one above the other in the first optical cavity along the length of the first optical cavity.
  • the optically transparent spacer layers are preferably electrically non-conductive, i.e. electrically insulating, and preferably consist of transparent oxides such as Al 2 O 3 , S1O 2 , T1O 2 or organic compounds, such as are also used for the charge transport layers. These layers preferably have a charge carrier mobility of less than 10 6 cm 2 / Vs and therefore only a very low electrical conductivity.
  • the electrical contact of the charge transport layer of a detection cell adjoining the spacer layer to the evaluation unit is established via an electrically conductive intermediate layer or contact layer or an external contact, as described above.
  • the mirror layer then no longer required for the electrical contact and also the other layers within the optical cavity can thus be optimized independently of one another with regard to their optical or electrical properties. By decoupling the optical and electrical elements of the photodetector, it is possible to improve the detection result.
  • the photodetector contains a second optoelectronic component for detecting a second wavelength of the electromagnetic radiation.
  • the second optoelectronic component has, similarly to the first optoelectronic component, a second optical cavity and at least one detection cell arranged in the second optical cavity.
  • the second optical cavity is also formed by two parallel mirror layers that are spaced apart from one another, the length of the second optical cavity being configured such that a resonance wave j assigned to it is created for the second wavelength. Order in the second optical cavity forms.
  • Each detection cell of the second optoelectronic component contains a photoactive layer.
  • the photoactive layer is in each case within the second optical cavity arranged that an oscillation maximum of the resonance wave lies within the photoactive layer.
  • the length of the first optical cavity differs from the length of the second optical cavity and / or the order of the resonance wave assigned to the second wavelength differs from the order of the resonance wave assigned to the first wavelength.
  • the order of the resonance wave of the second optoelectronic component can also be the 1st order.
  • At least one detection cell of the second optoelectronic component preferably also contains a first charge transport layer and a second charge transport layer, between which the photoactive layer is arranged. This means that the layers mentioned are arranged one above the other, that is to say adjoining one another, along the length of the second optical cavity.
  • the first and the second optoelectronic component can be arranged next to one another along a direction perpendicular to the length of the first and the second optical cavity.
  • This arrangement is also referred to as a lateral arrangement. They can be spaced apart from one another and physically separated from one another, so that each optoelectronic component can be individually (separately) connected to an evaluation unit.
  • the first and the second optoelectronic component can also be arranged adjacent to one another, but with electrical separation of the charge transport layers, if present, and / or the layers leading the electrical signals to the outside, such as mirror layers, intermediate layers or contact layers, of the optoelectronic components, that is, a pixelation of these layers is necessary.
  • a predetermined lateral arrangement of different optoelectronic components can also be repeated one or more times in a direction perpendicular to the length of the optical cavities next to one another, i.e. laterally next to each other.
  • An image-generating system a so-called imager system, can thus be implemented.
  • the first and second optoelectronic components are arranged one above the other, so that the lengths of the first optical cavity and the second optical cavity extend along a common line.
  • This arrangement is also referred to as a vertical arrangement.
  • the first and the second optical cavity are connected to one another by a semi-transparent mirror layer, that is, the first optical cavity and the second optical cavity share this semi-transparent mirror layer, which serves as a mirror in each of the two optoelectronic components. resembles a stacking of optoelectronic components, on the one hand the active area of the photodetector can be reduced.
  • this structure enables one photodetector that reacts selectively to certain angles of incidence of the incident electromagnetic radiation, in which an optoelectronic component with a large optical cavity length detects a defined wavelength or a defined wavelength range in the incident radiation at large angles of incidence, while an optoelectronic component with a smaller optical cavity length the same defined wavelength or the same defined wavelength range in the incident radiation is detected at small angles of incidence if both optoelectronic components are components of the same order.
  • the different angle-dependent response behavior of the two optoelectronic components cannot be achieved, or not only over the length of the optical cavity, but also or additionally over different orders of the optoelectronic components.
  • a photodetector for spectrally selective detection of electromagnetic radiation contains a first optoelectronic component for detecting a first wavelength of the electromagnetic radiation.
  • the mere presence or absence of the first wavelength in the electromagnetic radiation incident on the photodetector (qualitative statement) and / or the intensity of the radiation of the first wavelength in the incident electromagnetic radiation (quantitative statement) can be detected.
  • the first optoelectronic component has a first optical cavity, a detection cell arranged in the first optical cavity and at least one optically transparent spacer layer.
  • the first optical cavity is formed by two parallel mirror layers that are spaced apart from one another, the length of the first optical cavity being configured such that a resonance wave i assigned to it is created for the first wavelength. Forms order in the first optical cavity.
  • the above formula (1) applies, where i can be greater than or equal to 1.
  • the detection cell arranged in the first optical cavity contains a photoactive layer which preferably extends over the entire cross-sectional area of the first optical cavity, the cross-sectional area running perpendicular to the length of the first optical cavity.
  • the photoactive layer of the detection cell is arranged within the first optical cavity in such a way that the oscillation maximum of the resonance wave lies within the photoactive layer.
  • the photoactive layer is thus preferably arranged centrally in the first optical cavity with respect to its length.
  • the detection cell preferably furthermore has a first charge transport layer and a second charge transport layer, the photoactive layer between the first and the the second charge transport layer is arranged.
  • the individual layers are arranged one above the other along the length of the first optical cavity.
  • the first and second charge transport layers also preferably extend over the entire cross-sectional area of the first optical cavity, the first charge transport layer being adjacent to a first surface of the photoactive layer and the second charge transport layer being adjacent to a second surface of the photoactive layer and the second surface being opposite the first surface .
  • the charge transport layers serve to improve the charge extraction from the photoactive layer and its conduction to electrical contacts, also called electrodes, which forward the electrical signals generated in the detection cell to an evaluation unit which is suitable for evaluating them.
  • These charge transport layers can be made very thin, which means that they can also be referred to as injection or extraction layers. It does not always have to be doped layers.
  • the at least one optically transparent spacer layer is arranged between one of the mirror layers and the detection cell, that is, between the relevant mirror layer and the photoactive layer or between the relevant mirror layer and the charge transport layer of the detection cell adjacent to this mirror layer.
  • the optically transparent spacer layer is designed as set out above and is also electrically insulating. This means that an electrical signal from the photoactive layer or the corresponding charge transport layer cannot be read out via the corresponding adjacent mirror layer, that is to say fed to an evaluation unit.
  • the first optoelectronic component of the photodetector according to the second aspect has at least one external contact that is connected to an external surface of the detection cell, that is to say the photoactive layer or the charge transport layer - if present - which is separated from the adjacent mirror layer by the at least one spacer layer
  • the external contact consists of an electrically conductive material, as has already been described with regard to the photodetector according to the first aspect, and is suitable for being connected in an electrically conductive manner to an evaluation unit, the evaluation unit being suitable that of the detection cell to evaluate electrical signals generated by the first optoelectronic component.
  • the optical propagation of the resonance wave in the optical cavity is less disturbed, whereby the cavity quality of the first optical cavity is improved.
  • the layers arranged in the optical path of the resonance wave can be optimized with regard to their materials for their optical properties. All of this contributes to improving the detection result.
  • an optically transparent spacer layer is arranged between each of the mirror layers and the detection cell, that is to say between the respective mirror layer and the photoactive layer or the charge transport layer of the detection cell adjacent to this mirror layer, and the first optoelectronic component has at least two external contacts, one external contact in each case adjoining the outer surface of the detection cell on a first side and adjoining the outer surface of the detection cell on a second side.
  • the first side and the second side of the detection cell are opposite one another along the length of the first optical cavity.
  • Each external contact is thus adjacent either to the outer surface of the photoactive layer on a first or second side of the detection cell or to an outer surface of the first charge transport layer or the second charge transport layer, if present.
  • a photodetector for spectrally selective detection of electromagnetic radiation contains a first optoelectronic component for detecting a first wavelength of the electromagnetic radiation and a second optoelectronic component for detecting a second wavelength of the electromagnetic radiation.
  • the mere presence or absence of the first or the second wavelength in the electromagnetic radiation incident on the photodetector (qualitative statement) and / or the intensity of the radiation of the first or the second wavelength in the incident electromagnetic radiation (quantitative statement) can be detected .
  • the first optoelectronic component has a first optical cavity and at least one detection cell arranged in the first optical cavity.
  • the first optical cavity is formed by two parallel mirror layers that are spaced apart from one another, the length of the first optical cavity being configured such that a resonance wave i assigned to it is created for the first wavelength. Forms order in the first optical cavity.
  • Each detection cell arranged in the first optical cavity contains a photoactive layer, as has already been explained with reference to the photodetector according to the first aspect.
  • the photoactive layer of a detection cell is arranged within the first optical cavity in such a way that exactly one oscillation maximum of the resonance wave i. Order lies within the photoactive layer. This also corresponds to the first optoelectronic component according to the first aspect.
  • the resonance wave can also be a first-order resonance wave, ie i> 1.
  • the second optoelectronic component has a second optical cavity and at least one detection cell arranged in the second optical cavity.
  • the second optical cavity is formed by two parallel mirror layers that are spaced apart from one another, the length of the second optical cavity being configured such that a resonance wave j assigned to this is for the first wavelength. Forms order in the first optical cavity.
  • the above formula (1) applies, where i is replaced by j.
  • Each detection cell arranged in the second optical cavity contains a photoactive layer, as has already been explained with reference to the first optoelectronic component.
  • the photoactive layer of a detection cell is arranged within the second optical cavity in such a way that exactly one oscillation maximum of the resonance wave j. Order lies within the photoactive layer. This also corresponds to the structure of the first optoelectronic component.
  • the resonance wave can be a first order or higher order resonance wave.
  • At least one detection cell of the first and / or the second optical cavity preferably furthermore has a first charge transport layer and a second charge transport layer, as has already been explained with reference to the photodetector according to the first aspect.
  • the length of the second optical cavity differs from the length of the first optical cavity and / or the order of the resonance wave assigned to the second wavelength differs from the order of the resonance wave assigned to the first wavelength.
  • the resonance waves of both optoelectronic components can also be first order resonance waves.
  • the first and the second optoelectronic component are arranged one on top of the other, so that the lengths of the first and the second optical cavity extend along a common line, the first and the second optical cavity passing through a semitransparent one Mirror layer, each of which is one of the mirror layers of the first optical cavity and the second optical cavity, are connected to one another.
  • this structure which is sufficient for a stack of optoelectronic components, on the one hand the active area of the photodetector can be reduced.
  • this structure enables a photodetector that reacts selectively to certain angles of incidence of the incident electromagnetic radiation, in which an optoelectronic component with a large length of the optical cavity detects a defined wavelength in the incident radiation at large angles of incidence, while an optoelectronic component with a smaller length of the optical cavity detected the same defined wavelength in the incident radiation at small angles of incidence if both optoelectronic components are components of the same order.
  • the different angle-dependent response behavior of the two optoelectronic components cannot be achieved, or not only over the length of the optical cavity, but also or additionally over different orders of the optoelectronic components.
  • the semi-transparent mirror layer that belongs to both optoelectronic components consists of one or more of the materials already mentioned in connection with the photodetector according to the first aspect, the thickness of the material in relation to the reflection of the first or the second wavelength and the transparency of the each other of the first or the second wavelength is set. If the semitransparent mirror layer serves as an electrical contact for reading out the electrical signals generated in at least one of the two optoelectronic components, then the semitransparent mirror layer is electrically conductive.
  • the number of detection cells arranged in the first optical cavity and / or in the second optical cavity corresponds to the order of the respective resonance wave.
  • an optically transparent and electrically conductive contact layer or a spacer layer can be arranged between one of the mirror layers and a detection cell adjacent to this mirror layer. If one of the optoelectronic components is a component with an order greater than 1, an optically transparent spacer layer can also be arranged one above the other in the optical cavity of this optoelectronic component along the length of this optical cavity Detection cells or one or more optically absorbing intermediate layers can be formed.
  • At least one of the detection cells of the first optoelectronic component or of the second optoelectronic component can have at least one external contact that adjoins an external surface of the photoactive layer or one of the charge transport layers, consists of an electrically conductive material and is suitable, electrically connected to an evaluation unit to become, wherein the evaluation unit is suitable for evaluating the electrical signals generated by the detection cell.
  • the order of the resonance wave in the corresponding optoelectronic component is of no importance.
  • one or more further optoelectronic components can also be stacked over the first and the second optoelectronic component, a semitransparent mirror layer being arranged between adjacent optoelectronic components and belonging to both adjacent components.
  • the materials of the individual layers of the optoelectronic components of a photodetector according to the second or third aspect of the invention are the same as the materials mentioned with regard to the layers of the optoelectronic component of the photodetector according to the first aspect of the invention.
  • the photodetector according to each of the aspects of the invention can be formed on a substrate and surrounded by an enclosure or encapsulation as protection from environmental influences. In this case, however, at least the substrate or the housing must be transparent to the incident electromagnetic radiation, so that it can strike the photodetector.
  • the embodiments or individual features for designing the optoelectronic components and the photodetector can be combined with one another as long as they are not mutually exclusive.
  • 1A shows a first embodiment of the photodetector according to the invention according to the first aspect of the invention, the optoelectronic component being a second order component and having two detection cells,
  • FIG. 1B shows a second embodiment of the photodetector according to the invention according to the first aspect of the invention, the optoelectronic component being a second order component and having a detection cell,
  • FIG. 1C shows a third embodiment of the photodetector according to the invention according to the first aspect of the invention, the optoelectronic component being a third-order component and having three detection cells,
  • the optoelectronic component being a component of the 2nd order and having an optically absorbing intermediate layer
  • the optoelectronic component being a second order component and having spacer layers and optically transparent and electrically conductive contact layers
  • FIG. 4A shows a sixth embodiment of the photodetector according to the invention according to the first aspect of the invention, wherein the optoelectronic component is a second order component and has spacer layers and electrical external contacts,
  • Fig. 4B is a plan view of a cross section through the photodetector of Fig. 4A along the line A-A ‘,
  • FIG. 5A shows a seventh embodiment of the photodetector according to the invention according to the first aspect of the invention, the photodetector having two optoelectronic components which are arranged next to one another,
  • FIG. 5B shows an eighth embodiment of the photodetector according to the invention according to the first aspect of the invention, the photodetector having two optoelectronic components which are arranged one above the other,
  • FIG. 6A shows a first embodiment of the photodetector according to the invention according to the second aspect of the invention, wherein the optoelectronic component is a 1st order component and has external electrical contacts and optically transparent spacer layers,
  • FIG. 6B shows a second embodiment of the photodetector according to the invention according to the second aspect of the invention, wherein the detection cell comprises charge transport layers, and
  • the photodetector has two first-order optoelectronic components which are arranged one above the other.
  • Figures 1A to 5B show different embodiments of a photodetector according to the first aspect of the invention. It is characteristic of all embodiments according to the first aspect of the invention that at least one optoelectronic component is a component of the second or higher order.
  • FIG. 1A shows a first embodiment 1 of the photodetector according to the invention according to the first aspect of the invention.
  • the photodetector 1 has an optoelectronic component 100 which is arranged between a transparent first substrate 201, for example made of glass or transparent plastic, and a second substrate 202.
  • the second substrate 202 can also be transparent, but can also be opaque, semitransparent or reflective and can, for example, be an encapsulation made of glass, metal or plastic.
  • the optical properties of the first and the second substrate 201, 202 relate to radiation with the first wavelength to be detected in the photodetector 1.
  • Incident radiation 301 falls from a radiation source 300, which, for example, has a broad spectrum of wavelengths from UV light to infrared radiation, i.e.
  • the incident radiation 301 can, for example, radiation that is transmitted through a medium, e.g. a liquid, or which has passed through a medium, e.g. a solid body, or a radiation generated directly by the radiation source 300. As shown in FIG. 1A, the incident radiation 301 can enter the optoelectronic component 100 through the first substrate 201, but can also enter the optoelectronic component 100 through the second substrate 202 if the second substrate 202 is designed accordingly.
  • a medium e.g. a liquid
  • a medium e.g. a solid body
  • the optoelectronic component 100 has a semitransparent first mirror layer 11, which is arranged adjacent to the first substrate 201, and a second mirror layer 12, which is completely reflective and disposed adjacent to the second substrate 202.
  • Both mirror layers 11, 12 consist, for example, of silver (Ag), the first mirror layer 11 having a smaller thickness, for example 27 nm, than the second mirror layer 12, which for example has a thickness of 100 nm.
  • the first mirror layer 11 and the second mirror layer 12 are arranged parallel to one another at a distance L from one another and thus form an optical cavity between them.
  • the length of the optical cavity, ie the distance L, and the thicknesses of the individual layers of the optoelectronic component 100 are each measured perpendicular to the parallel planes of the mirror layers 11 and 12.
  • standing resonance waves of different orders and corresponding resonance wavelengths are formed in the optical cavity according to the formula (1) already mentioned.
  • a resonance wave 13 of the 2nd order is shown in FIG. 1A, the wavelength of which corresponds to the first wavelength to be detected in the photodetector 1 via the effective refractive index of the optical cavity and the layers present in the radiation path, for example the first substrate 201 and the first mirror layer 11 , connected is.
  • Each detection cell 21, 22 contains a photoactive layer 210 or 220, to which a first charge transport layer 21 1 or 221 on one side in relation to the length of the optical cavity and in each case on the other side in relation to the length of the optical cavity adjoin a second charge transport layer 212 or 222.
  • the first charge transport layer 211 or 221 is, for example, a hole-conducting material, while the second charge transport layer 212 or 222 is an electron-conducting material.
  • the photoactive layers 210, 220 consist, for example, of TPDP: C60 and have a thickness of 100 nm.
  • the photoactive layers 210, 220 are each arranged within the optical cavity in such a way that in each case exactly one intensity maximum (also called the antinode) of the resonance wave 13 lies within one of the photoactive layers 210, 220. Since the resonance wave 13 detected by the optoelectronic component 100 is a second order wave, the optoelectronic component 100 is referred to as a second order component.
  • the first charge transport layer 211 of the first detection cell 21 adjoins the second mirror layer 12 and the second charge transport layer 222 of the second detection cell 22 adjoins the first mirror layer 11.
  • the second charge transport layer 212 of the first detection cell 21 and the first charge transport layer 221 of the second detection cell 22 adjoin one another.
  • the electrical signals generated in the detection cells 21 and 22 are generated by the Mirror layers 1 1 and 12, which are electrically conductive and electrically conductively connected to an evaluation unit, are forwarded, the evaluation unit being suitable for providing qualitative and / or quantitative information on the radiation of the first wavelength contained in the incident radiation 301 from the electrical signals to generate.
  • FIGS. 1 B and 1 C the concept of order is to be explained further in relation to the optoelectronic component. Most of the following figures do not show the substrates or the radiation source.
  • FIG. 1B shows an optoelectronic component 101 of a second embodiment 2 of the photodetector according to the first aspect of the invention.
  • only one detection cell 21 is arranged in the optical cavity of the optoelectronic component 101, which is formed as described with reference to FIG. 1A.
  • an optically absorbing and electrically conductive intermediate layer 30 and an optically transparent spacer layer 40 are now arranged between the detection cell 21 and the first mirror layer 11.
  • the photoactive layer 210 of the detection cell 21 is again arranged in exactly one intensity maximum of the resonance wave 13, which is again a resonance wave of the 2nd order, while the intermediate layer 30 is arranged in the middle node of the resonance wave 13. Since the intermediate layer 30 is designed to be optically absorbent, all further resonance waves that are in the optical cavity between the
  • mirror layers 11 and 12 would form and their nodes of oscillation are not in the intermediate layer 30, extinguished. Above all, the resonance waves of neighboring orders, i.e. the first and third order resonance waves, are extinguished.
  • the spacer layer 40 is made of a material which is not or only poorly electrically conductive, e.g. from AI2O3.
  • the intermediate layer 30 therefore also serves as a contact layer for forwarding the electrical signals generated in the detection cells 21 to an evaluation unit and is made of an electrically conductive material, e.g. Ag: Ca, and formed with a thickness of, for example, 6 nm, the
  • Intermediate layer 30 is electrically conductively connected to the evaluation unit.
  • the intermediate layer 30 is designed in such a way that it projects beyond the lateral edge of the other layers in the optical cavity and, for example, via clamps or others
  • Connecting elements can be connected to an electrical line to the evaluation unit.
  • the intermediate layer can also be designed to be absorbent and only slightly electrically conductive.
  • the intermediate layer can be dispensed with entirely if the effect of extinguishing other resonance waves is not desired.
  • the optoelectronic component 101 has only one detection cell 21, the optoelectronic component 101 is also a second-order component, since it detects and evaluates a second-order resonance wave.
  • FIG. 1C shows an optoelectronic component 102 of a third embodiment 3 of the photodetector according to the first aspect of the invention.
  • a 3rd order resonance wave 14 is detected here, so that the optoelectronic component 102 is a 3rd order component.
  • the optoelectronic component 102 has three detection cells 21 to 23 which each contain a photoactive layer 210, 220 or 230 and two charge transport layers 21 1 and 212 or 221 and 222 or 231 and 232 and are arranged one above the other in the optical cavity.
  • the photoactive layers 210, 220 and 230 are each arranged in the optical cavity in such a way that exactly one oscillation maximum of the resonance wave 14 lies in each of the photoactive layers 210, 220 and 230.
  • the optoelectronic component 102 could also have only one or two detection cells, it still being a 3rd order component as long as the respective photoactive layers of the detection cells are each located at exactly one oscillation maximum of the resonance wave
  • FIG. 2 shows an optoelectronic component 103 of a fourth embodiment 4 of the photodetector, the optoelectronic component 103 having two detection cells 21 and 22.
  • the intermediate layer 31 must not hinder the charge transport if the individual detection cells 21 and 22 are not individually electrically contacted to the outside, as is shown in FIG. 2.
  • the intermediate layer 31 is conductive for at least one type of charge carrier, that is to say electrons or holes, or for both. This can be achieved by making the intermediate layer 31 very thin.
  • the intermediate layer 31 can consist of a metal layer, for example Ag, or a mixed metal layer, for example Ag: Ca, with a thickness in the range from 1 nm to 5 nm.
  • the intermediate layer 31 can also consist of a very thin, highly doped organic layer absorbing in the corresponding wavelength range of the resonance wave, e.g.
  • the intermediate layer 31 can also be in the form of a structured layer and have holes that transport charge allow from an adjacent layer to another adjacent layer, while the existing areas of the intermediate layer 31 lead to an extinction of the resonance waves of adjacent orders.
  • the intermediate layer 31 serves to cancel out resonance waves of adjacent orders (adjacent to the order of the resonance wave 13).
  • the intermediate layer 31 is arranged within the optical cavity at a point of the central node of the resonance wave 13 and is only thin, for example with a thickness in the range from 1 nm to 5 nm.
  • the connection to the evaluation unit is established via the electrically conductive mirror layers 11 and 12, but can also be implemented differently in other embodiments.
  • a plurality of optically absorbing intermediate layers are preferably formed. These are each arranged so that each node of the resonance wave lies in exactly one optically absorbing intermediate layer.
  • FIG 3 shows an optoelectronic component 104 of a fifth embodiment 5 of the photodetector, spacer layers 40 and electrically conductive, optically transparent contact layers 50 being arranged in the optical cavity of optoelectronic component 104 in addition to detection cells 21 and 22.
  • the detection cells 21 and 22 are each spaced from each other and from the adjacent mirror layers 1 1 and 12 by the spacer layers 40. Since the spacer layers 40 are not or only poorly electrically conductive in the present case and therefore no electrical contact to the detection cells 21 and 22 via the Mirror layers 11 or 12 is possible, the electrical signals generated by the detection cells 21 and 22 are passed on via the contact layers 50 to the evaluation unit.
  • the contact layers 50 are each adjacent to the first and second charge transport layers 21 1 and 212 or 221 and 222 and are arranged between these and the spacer layers 40 and can each be connected to the evaluation unit in an electrically conductive manner.
  • the contact layers 50 are designed to be flat, ie they are each over the entire lateral Expansion of the charge transport layers 21 1, 212, 221 and 222 formed. Since the contact layers 50 are arranged in areas of the optical cavity in which the intensity of the resonance wave 13 does not have a node, but an intensity not equal to 0 (zero), the contact layers 50 must consist of an optically transparent material in order to cancel out the resonance wave 13 avoid.
  • the contact layers 50 can, for example, consist of PEDOT: PSS, ITO, ZnO or other conductive oxides and each have a thickness of, for example, 10 nm to 40 nm.
  • the contact layers 50 protrude laterally over the other layers in the optical cavity in order to be able to realize an electrical connection to the evaluation unit, as has already been explained with reference to the intermediate layer 30 in FIG. 1B.
  • FIGS. 4A and 4B Another possibility of making electrical contact with the evaluation unit is shown in FIGS. 4A and 4B with reference to an optoelectronic component 105 of a sixth embodiment 6 of the photodetector.
  • the optoelectronic component 105 differs from the optoelectronic component 104 from FIG. 3 in that there are no two-dimensional contact layers, but rather the electrical connection between the charge transport layers 21 1, 212, 221 and 222 takes place via electrical external contacts 60.
  • the external contacts 60 consist of an electrically conductive material, for example Ag, and adjoin at least a part of the external surface of the charge transport layers 21 1, 212, 221 and 222.
  • an outer surface of the charge transport layers 21 1, 212, 221 and 222 extends along the length of the optical cavity and does not adjoin another layer of the optoelectronic component 104, except for the external contacts 60.
  • the external contacts 60 can also overlap with part of the charge transport layers 21 1, 212, 221 and 222, ie adjoin a surface of the charge transport layers 21 1, 212, 221 and 222 which extends or can extend parallel to the mirror layers 1 1, 12 also protrude into the charge transport layers 211, 212, 221 and 222.
  • the external contacts 60 do not extend over the entire lateral extent of the charge transport layers 21 1, 212, 221 and 222.
  • the active area of the optoelectronic component i.e. the area in which it is standing Waves can arise laterally, ie in a plane perpendicular to the length of the optical cavity, limited.
  • the outer contacts can also serve as an optical aperture mask.
  • the external contacts 60 thus hardly influence the optical formation or propagation of the resonance wave 13.
  • the external contacts 60 preferably surround the charge transport layers 21 1, 212, 221 and 222 along the entire circumference of the external surface in cross section through the optoelectronic component, as shown in FIG. 4B is shown.
  • FIG. 4B shows a cross section through the optoelectronic component 105 of FIG. 4A along the line AA ′.
  • the electrical external contact 60 here forms a frame around the first charge transport layer 21 1. Electrical connection elements or connection lines to the evaluation unit can again engage the electrical external contacts 60, as has already been described with reference to FIG. 1B.
  • FIGS. 1A to 4B are also possible, with it being possible to optimize different layers with regard to their optical and / or electrical properties and to optimize the optoelectronic component with regard to its detection properties and / or its production .
  • Embodiments of the photodetector according to the first aspect of the invention are described with reference to FIGS. 5A and 5B, the photodetector each having two optoelectronic components which are suitable for detecting different wavelengths in the incident radiation.
  • the number of optoelectronic components can be expanded as desired and both embodiments can also be combined with one another.
  • FIG. 5A shows a seventh embodiment 7 of the photodetector with two optoelectronic components 106 and 107, these being arranged laterally next to one another. That is to say, the optoelectronic components 106 and 107 are arranged next to one another along a direction which runs perpendicular to the lengths of the optical cavities of the two components 106 and 107. In the case shown, the two components 106 and 107 are arranged next to one another on the transparent first substrate 201 and are delimited from the environment by the second substrate 202 in the form of an encapsulation.
  • the first optoelectronic component 106 has a first mirror layer 11a, a second mirror layer 12a and two detection cells 21a and 22a, the first optical cavity, which is formed between the mirror layers 11a and 12a , having a length L a .
  • the second opto-electronic device 107 has a first mirror layer 11 b, a second mirror layer 12b and two detection cells 21 b and 22b, wherein the second optical cavity disposed between the mirror layers 11 b and 12b is formed, a length L b has.
  • L b ⁇ L a in the illustrated case.
  • Both optoelectronic components 106 and 107 are 2nd order components, with the same materials for the individual layers of components 106 and 107 the first optoelectronic component 106 having a first wavelength that corresponds to the first resonance wave 13a formed, and the second optoelectronic component 107 having a second wavelength, which corresponds to the formed second resonance wave 13b, can detect, wherein the first wavelength is greater than the second wavelength.
  • the optoelectronic components can also differ with regard to the order of the respective resonance wave with the same length of the optical cavity or with respect to the order of the respective resonance wave and the length of the optical cavity.
  • the first mirror layers 11a and 11b and the second mirror layers 12a and 12b are used in the illustrated case to read out the electrical signals generated in the optoelectronic components 106 and 107 and are connected to an evaluation unit (not illustrated) in an electrically conductive manner.
  • the electrical signals can also be transmitted to the evaluation unit via the intermediate or contact layers or external contacts illustrated with reference to FIGS. 1B and 3 to 4B, wherein the detection cells can be electrically isolated from one or both mirror layers of the respective component .
  • mirror layers of different optoelectronic components that are electrically isolated from an adjacent detection cell can also be formed jointly and connected to one another.
  • FIG. 5B shows an eighth embodiment 8 of the photodetector with two optoelectronic components 108 and 109, these being arranged one above the other. That is, the lengths of the first optical cavity and the second optical cavity of the optoelectronic components 108 and 109 extend along a common line, the first and the second optical cavity being connected to one another by a semitransparent mirror layer.
  • the optoelectronic components 108 and 109 are stacked on top of one another so that the incident radiation does not reach one of the two optoelectronic components until it has passed through the other optoelectronic component.
  • the incident radiation 301 only enters the optoelectronic component 109 after passing through the optoelectronic component 108.
  • the first optoelectronic component 108 has a semitransparent mirror layer 11, a semitransparent mirror layer 11 'and two detection cells 21a and 22a, the first optical cavity, which is formed between the mirror layers 11 and 11', having a length L a .
  • the second opto-electronic device 109 has the semi-transparent mirror layer 1 1 ', a second mirror layer 12, and two detection cells 21 b and 22b, wherein the second optical cavity disposed between the mirror layers 1 1' is formed and 12, a length L b has. In the case shown, L b ⁇ L a . But L b > L a is also possible.
  • Both optoelectronic components 108 and 109 are 2nd order components, With the same materials for the individual layers of the components 108 and 109, the first optoelectronic component 108 has a first wavelength that corresponds to the formed first resonance wave 13a, and the second optoelectronic component 109 has a second wavelength that corresponds to the formed second resonance wave 13b, can detect, wherein the first wavelength is greater than the second wavelength.
  • the optoelectronic components can also differ with respect to the order of the respective resonance wave with the same length of the optical cavity or with respect to the order of the respective resonance wave and the length of the optical cavity.
  • the eighth embodiment 8 of the photodetector it is thus possible to detect two different wavelengths in the incident radiation 301 in a space-saving manner.
  • One or more further optoelectronic components can also be stacked on top of one another, so that more than two different wavelengths can also be used with a photodetector, which only requires the lateral space of an optoelectronic component; can be detected.
  • the optoelectronic component 108 would detect the presence of the first wavelength belonging to the wavelength of the first resonance wave 13a in the incident radiation 301 at large angles of incidence a, while the optoelectronic component 109 would detect the presence of the first wavelength in the incident radiation 301 for small angles of incidence a detected via the detection of the associated second resonance wave 13b.
  • the wavelengths of the first and second resonance waves 13a, 13b correspond to the first wavelength in the incident radiation 301 and the angle of incidence ⁇ .
  • the mirror layers 11, 11 ′ and 12 serve to read out the electrical signals generated in the optoelectronic components 108 and 109 and are connected to an evaluation unit (not illustrated) in an electrically conductive manner.
  • the electrical signals can also be transmitted to the evaluation unit via the intermediate or contact layers or external contacts illustrated with reference to FIGS. 1B and 3 to 4B, wherein the detection cells can be electrically isolated from one or both mirror layers of the respective component .
  • both embodiments explained with reference to FIGS. 5A and 5B can also be formed simultaneously in a photodetector, that is to say both different optoelectronic components can be arranged one above the other and next to one another.
  • the optoelectronic components can also each be designed in accordance with one of the embodiments described with reference to Figures 1B and 2 to 4B, that is, they can be spacer layers, optically absorbent interlayers, optically absorbent and electrically conductive interlayers, optically transparent and electrically conductive contact layers and / or have electrical external contacts, wherein different optoelectronic components can be designed differently.
  • FIG. 6A shows a first embodiment 9 of the photodetector according to the invention according to the second aspect of the invention.
  • the photodetector can also have only one first-order optoelectronic component.
  • this is the optoelectronic component 110, which has a semi-transparent first mirror layer 11 and a second mirror layer 12 as well as a detection cell 2T in the optical cavity present between these mirror layers 11, 12.
  • the detection cell 21 ′ has a photoactive layer 210, but no charge transport layers.
  • the photoactive layer 210 is arranged in the optical cavity in such a way that an oscillation maximum of the resonance wave 15, which is a resonance wave of the first order, lies within the photoactive layer 210.
  • the photoactive layer 210 is separated from the mirror layers 11 and 12 by spacer layers 40 which are optically transparent and electrically insulating.
  • the photoactive layer 210 can be connected to an evaluation unit via at least two electrical external contacts 60 ', similar to the external contacts 60 already explained with reference to FIGS. 4A and 4B, so that the electrical signals generated in the detection cell 21 can be read out.
  • the external contacts 60 ′ consist of an electrically conductive material, for example Ag, and are adjacent to at least part of the external surface of the photoactive layer 210.
  • an outer surface of the photoactive layer 210 extends along the length of the optical cavity and does not adjoin another layer of the optoelectronic component 110, except for the external contacts 60 ′.
  • the external contacts 60 ′ can also overlap with part of the photoactive layer 210, ie adjoin a surface of the photoactive layer 210 which extends parallel to the mirror layers 11, 12, or can also protrude into the photoactive layer 210. However, the external contacts 60 'do not extend over the entire lateral extent of the photoactive layer 210, but rather over a maximum of a small part, a maximum of 10% of the total lateral extent.
  • the external contacts 60 ′ preferably surround the photoactive layer along the entire circumference of the external surface in cross section by the optoelectronic component, similar to that shown in FIG. 4B for the external contacts 60.
  • one of the external contacts 60 ′ is arranged on a first side of the photoactive layer 210 and another of the external contacts 60 ′ is arranged on a second side of the photoactive layer 210, the first side and the second side being spaced from one another along the length of the optical cavity are and face each other.
  • the first side of the first mirror layer 11 is closer, while the second side of the second mirror layer 12 is closer.
  • the photoactive layer 210 is formed at least so thick that the external contact 60 ′ on the first side of the photoactive layer 210 is electrically separated, ie insulated, from the external contact 60 ′ on the second side of the photoactive layer 210.
  • all components of the optoelectronic component 110 can be optimized either with regard to their optical or their electrical properties .
  • optical losses within the optical cavity are further reduced and thus the quality and effectiveness of the detection of the photodetector are further improved.
  • FIG. 6B shows a second embodiment 9 'of the photodetector according to the invention according to the second aspect of the invention.
  • the second embodiment 9 ′ is designed similarly to the first embodiment 9.
  • the detection cell 21 of the optoelectronic component 1 10 ' also has a first charge transport layer 21 1 and a second charge transport layer 212, similar to the previously described detection cells of a photodetector according to the first aspect.
  • the charge transport layers 21 1 and 212 are of the to them adjacent mirror layers 1 1 and 12, respectively, spaced apart by spacer layers 40 which are optically transparent and electrically insulating.
  • the charge transport layers 21 1 and 212 can each be connected to an evaluation unit via electrical external contacts 60, as already explained with reference to FIGS.
  • FIG. 7 shows an embodiment 10 of the photodetector according to the invention according to the third aspect of the invention.
  • the photodetector similar to the eighth embodiment 8 of the photodetector according to the first aspect of the invention, has two optoelectronic components arranged one above the other, although both optoelectronic components can be components of the first order.
  • the photodetector 10 in the illustrated embodiment has two optoelectronic components 1 1 1 and 1 12, which are arranged one above the other so that the lengths of the optical cavities of both components 1 1 1 and 112 extend along a common line.
  • the first optoelectronic component 111 has a semitransparent mirror layer 11 and a semitransparent mirror layer 11 'and a detection cell 21a arranged between them, the corresponding photoactive layer of the detection cell 21a being in the oscillation maximum of the resonance wave 15a, which is a first-order resonance wave .
  • the second optoelectronic component 11 has the semitransparent mirror layer 11 'and a mirror layer 12 as well as a detection cell 21b arranged in between, the corresponding photoactive layer of the detection cell 21b in the oscillation maximum of the resonance wave 15b, which is also a first-order resonance wave, lies.
  • L b which corresponds to a second wavelength to be detected in the incident radiation and in the example shown is smaller than the length L a . In other exemplary embodiments, however, L b can also be greater than L a .
  • the dependence of the wavelength of the resonance waves 15a, 15b on the angle of incidence of the incident radiation can also be used for an angle-selective detection of certain wavelengths in the incident radiation.
  • the two optoelectronic components 111 and 112 share the semitransparent mirror layer 11 '.
  • the mirror layers 11, 11 ′ and 12 serve to read out the electrical signals generated in the detection cells 21 a and 21 b and can be connected to an evaluation unit in an electrically conductive manner for this purpose.
  • other possibilities for establishing electrical contact with the charge transport layers of the detection cells for example optically transparent and electrically conductive contact layers or electrical external contacts, as described above, can be implemented and / or Detection cells be spaced apart from adjacent mirror layers by spacer layers.
  • Example 1 is a photodetector for the spectrally selective detection of electromagnetic radiation, with a first optoelectronic component for the detection of a first wavelength of the electromagnetic radiation, having: a first optical cavity, which is formed by two parallel mirror layers spaced apart, the length of the first optical The cavity is designed in such a way that a resonance wave i associated therewith is produced for the first wavelength. Forms order in the first optical cavity, and
  • each detection cell containing a photoactive layer, the photoactive layer being arranged within the first optical cavity in such a way that exactly one oscillation maximum of the resonance wave lies within the photoactive layer, the order of the resonance wave of the first optoelectronic component is greater than 1.
  • Example 2 is a photodetector according to Example 1, wherein at least one detection cell arranged in the first optical cavity furthermore contains a first charge transport layer and a second charge transport layer, between which the photoactive layer is arranged, the first charge transport layer, the photoactive layer and the second charge transport layer are arranged one above the other along the length of the first optical cavity.
  • the photodetector according to example 1 or 2 can have a number of the detection cells arranged in the first optical cavity which corresponds to the order of the resonance wave.
  • At least one optically absorbing intermediate layer is arranged in the first optical cavity in such a way that a node of the resonance wave lies in the absorbing intermediate layer.
  • at least one of the at least one optically absorbing intermediate layer is directly adjacent to one of the at least one detection cell, consists of an electrically conductive material and is suitable for being electrically conductive with an evaluation unit that is suitable for use by the to evaluate at least one detection cell of the first optoelectronic component generated electrical signals to be connected.
  • At least one optically transparent contact layer is arranged in the first optical cavity, which directly adjoins one of the at least one detection cell, consists of an electrically conductive material and is suitable, electrically conductive with a Evaluation unit which is suitable for evaluating the electrical signals generated by the at least one detection cell of the first optoelectronic component, to be connected.
  • the first optoelectronic component of the photodetector according to one of examples 1 to 4 has at least one external contact which adjoins an external surface of one of the at least one detection cell, consists of an electrically conductive material and is suitable for being electrically conductive with an evaluation unit, which is suitable for evaluating the electrical signals generated by the at least one detection cell of the first optoelectronic component, to be connected.
  • At least one optically transparent spacer layer is arranged in the first optical cavity, said spacer layer being arranged between one of the mirror layers and a detection cell adjacent to this mirror layer.
  • Example 9 at least two detection cells are arranged in the first optical cavity in a photodetector according to one of Examples 1 to 8, and an optically transparent spacer layer is arranged between two detection cells arranged one above the other in the first optical cavity along the length of the first optical cavity.
  • a photodetector contains a second optoelectronic component for detecting a second wavelength of the electromagnetic radiation, the second optoelectronic component having: a second optical cavity which is formed by two parallel mirror layers spaced apart from one another, the Length of the second optical cavity as it is designed that a resonance wave j associated therewith is produced for the second wavelength.
  • a second optical cavity which is formed by two parallel mirror layers spaced apart from one another, the Length of the second optical cavity as it is designed that a resonance wave j associated therewith is produced for the second wavelength.
  • the length of the first optical cavity differs from the length of the second optical cavity and / or the order of the resonance wave assigned to the second wavelength differs from the order of the resonance wave assigned to the first wavelength.
  • the first and the second optoelectronic component are arranged next to one another along a direction perpendicular to the length of the first and the second optical cavity
  • the first and second optoelectronic components (108, 109) are arranged one above the other in the photodetector according to example 10, so that the lengths of the first optical cavity and the second optical cavity extend along a common line, the first and the second optical cavity are connected to one another by a semi-transparent mirror layer.
  • Example 13 is a photodetector for the spectrally selective detection of electromagnetic radiation, with a first optoelectronic component for the detection of a first wavelength of the electromagnetic radiation, having: a first optical cavity, which is formed by two parallel mirror layers spaced apart, the length of the first optical The cavity is designed in such a way that a first-order resonance wave assigned to the first wavelength is formed in the first optical cavity,
  • a detection cell which is arranged in the first optical cavity and contains a photoactive layer, the photoactive layer being arranged within the first optical cavity such that the oscillation maximum of the resonance wave lies within the photoactive layer, and
  • At least one optically transparent spacer layer which is arranged in the first optical cavity between one of the mirror layers and the detection cell, wherein the first optoelectronic component has at least one external contact which adjoins an outer surface of the detection cell, consists of an electrically conductive material and is suitable, electrically conductive with an evaluation unit which is suitable for the electrical signals generated by the detection cell of the first optoelectronic component to evaluate, to be connected.
  • the detection cell of the photodetector according to example 13 arranged in the first optical cavity further contains a first charge transport layer and a second charge transport layer, between which the photoactive layer is arranged, the first charge transport layer, the photoactive layer and the second charge transport layer along one another the length of the first optical cavity are arranged.
  • two optically transparent spacer layers are arranged in the first optical cavity in the photodetector according to one of examples 13 or 14, of which a first spacer layer is arranged between a first of the mirror layers and the detection cell and of which a second spacer layer is arranged between a second the mirror layers and the detection cell is arranged.
  • the first optoelectronic component of the photodetector according to Example 15 has at least two external contacts, with one external contact each adjoining the outer surface of the detection cell on a first side and the outer surface of the detection cell on a second side, the first side and the opposite the second side of the detection cell along the length of the first optical cavity.
  • Example 16 is a photodetector for the spectrally selective detection of electromagnetic radiation, with a first optoelectronic component for the detection of a first wavelength of the electromagnetic radiation, having:
  • a first optical cavity which is formed by two parallel mirror layers spaced apart from one another, the length of the first optical cavity being configured such that a resonance wave i assigned to this is for the first wavelength.
  • each detection cell containing a photoactive layer, the photoactive layer being arranged within the first optical cavity in such a way that exactly one oscillation maximum of the resonance wave lies within the photoactive layer, and a second optoelectronic component for detecting a second wavelength of the electromagnetic radiation, comprising:
  • a second optical cavity which is formed by two parallel mirror layers spaced apart from one another, the length of the second optical cavity being configured such that a resonance wave j assigned to the second wavelength occurs. Order in the second optical cavity forms, and
  • each detection cell containing a photoactive layer, the photoactive layer being arranged within the second optical cavity in such a way that exactly one oscillation maximum of the resonance wave lies within the photoactive layer
  • the length of the second optical cavity differs from the length of the first optical cavity and / or the order of the resonance wave assigned to the second wavelength differs from the order of the resonance wave assigned to the first wavelength and the first and the second optoelectronic components are arranged one above the other, so that the lengths of the first and the second optical cavity extend along a common line, the first and the second optical cavity being connected to one another by a semitransparent mirror layer, which is in each case one of the mirror layers of the first optical cavity and the second optical cavity.
  • At least one detection cell of the photodetector according to example 16 arranged in the first optical cavity or in the second optical cavity furthermore contains a first charge transport layer and a second charge transport layer, between which the photoactive layer is arranged, the first charge transport layer, the photoactive Layer and the second charge transport layer are arranged one above the other along the length of the first optical cavity or the second optical cavity.
  • the number of detection cells of the photodetector according to example 16 or 17 arranged in the first optical cavity and / or in the second optical cavity corresponds to the order of the respective resonance wave.

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Abstract

Die Erfindung betrifft verschiedene Aspekte eines Photodetektors (1-8) zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung mit einem ersten optoelektronischen Bauelement (100-106,108) zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Das erste optoelektronische Bauelement (100-106,108) weist dabei eine erste optische Kavität und mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21, 21a, 22, 22a, 23) auf. Die erste optische Kavität wird durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten (11, 11a, 11', 12, 12a) gebildet, wobei die Länge der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle (13,13a) i. Ordnung in der ersten optischen Kavität ausbildet. Jede Detektionszelle (21, 21a, 22, 22a, 23) weist eine photoaktive Schicht (210,220,230) auf, wobei die photoaktive Schicht jeweils so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle (13,13a) innerhalb der photoaktiven Schicht (210,220,230) liegt. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist die Ordnung der Resonanzwelle (13,13a) des ersten optoelektronischen Bauelements (100-106,108) größer als 1, und in der optischen Kavität ist mindestens eine optisch absorbierende Zwischenschicht (30, 31) und/oder mindestens eine optisch transparente Kontaktschicht (50) angeordnet. Gemäß einem zweiten Aspekt weist das erste optoelektronische Bauelement (110,110') neben der Detektionszelle (21,21') mindestens eine optisch transparente Abstandshalterschicht (40), die in der ersten optischen Kavität zwischen einer der Spiegelschichten (11,12) und der Detektionszelle (21,21') angeordnet ist, und mindestens einen Außenkontakt (60,60') auf, der an eine äußere Oberfläche der Detektionszelle (21.21') angrenzt und aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.

Description

Photodetektor mit verbessertem Detektionsergebnis
Die Erfindung betrifft einen Photodetektor zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung, welcher ein optoelektronisches Bauelement mit einer optischen Kavität und mindestens einer darin angeordneten Detektionszelle aufweist und ein verbessertes Detektionsergebnis ermöglicht.
Photodetektoren zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung dienen zum qualitativen und quantitativen Nachweis von elektromagnetischer Strahlung, im folgenden auch Licht genannt, einer spezifischen Wellenlänge in einer einfallenden Strahlung. Dabei ist die einfallende Strahlung eine breitbandige Strahlung, die Licht vieler verschiedener Wellenlängen enthält. Solche Photodetektoren weisen oftmals Filter oder eine optische Kavität auf, die die Resonanz nur spezifischen Wellenlängen der einfallenden Strahlung innerhalb der Kavität ermöglicht. Dabei wird die optische Kavität durch Spiegel, von denen mindestens einer halbtransparent ist und die mit einem Abstand L zueinander angeordnet sind, erzeugt. Innerhalb der optischen Kavität werden die Strahlungen (elektromagnetischen Wellen) der Resonanz-Wellenlängen mehrmals zwischen den Spiegeln reflektiert und verstärkt und durchlaufen dabei eine photoaktive Schicht, die die elektromagnetische Strahlung in elektrische Leistung umwandelt. Solch ein Photodetektor ist bspw. in der WO 2017/029223 A1 beschrieben. Jede der Resonanzwellen weist eine natürliche Anzahl von Schwingungsmaxima innerhalb der optischen Kavität auf und wird als Resonanzwelle i. Ordnung bezeichnet, wobei i der Anzahl der Schwingungsmaxima entspricht. Alle ausgebildeten Resonanzwellen 1. bis n. Ordnung tragen zum elektrischen Signal des Photodetektors bei. Damit ist eine Detektion einer spezifischen Wellenlänge der Resonanzwellen nur in einem eingeschränkten Bereich für die zu detektierende Wellenlänge oder unter großem externen Aufwand, z.B. durch vorgeschaltete Filter oder eine aufwändige Auswertung des gemessenen elektrischen Signals, möglich.
Ein weiterer wesentlicher Faktor für die Genauigkeit der Detektion einer bestimmten Wellenlänge in der optischen Kavität ist die Breite des durch die optische Kavität verstärkten Wellenlängenbereichs. Denn obwohl oben von einzelnen Resonanzwellenlängen gesprochen wurde, wobei idealerweise nur diese einzelnen Resonanzwellenlängen stehende Wellen ausbilden, so wird in der Realität jeweils ein gewisser Wellenlängenbereich rund um die einzelnen Resonanz-Wellenlängen in der optischen Kavität verstärkt und bildet stehende Wellen aus. Die Verstärkung der optischen Kavität, die die externe Quanteneffizienz (EQE) für eine gegebene Wellenlänge bestimmt, ist näherungsweise eine Abfolge von super- gaussförmigen Verteilungen oder Lorentz-Verteilungen, wobei jeweils der Maximalwert bei einer Resonanz-Wellenlänge liegt. Die Resonanzwellenlängen sind spektral aufgetragen, d.h. in der Darstellung der Größe der Verstärkung des Photodetektors über die Wellenlänge, als Peak erkennbar. Als Peakbreite wird die Breite des Wellenlängenbereichs, in dem der Peak liegt und bei dessen Bereichsgrenzen die Verstärkung die Hälfte des Maximums erreicht hat, bezeichnet. Je größer die Peakbreite ist, desto ungenauer wird die Detektion, da Wellenlängen innerhalb des verstärkten Wellenlängenbereichs nicht mehr voneinander unterschieden werden können. Dies wird durch die Kavitätsgüte Q beschrieben, die sich näherungsweise als Quotient aus der Peak-Wellenlänge und der Peakbreite berechnet.
Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist es, einen Photodetektor zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung mit einer optischen Kavität bereitzustellen, weicher eine verbesserte Detektion ermöglicht. Darüber hinaus soll ein platzsparender Aufbau eines Photodetektors zur Detektion elektromagnetischer Strahlung mehrerer verschiedener Wellenlängen bereitgestellt werden, der eine Miniaturisierung der Detektoren oder Spektrometer erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Photodetektor gemäß einem der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
Ein Photodetektor zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt enthält ein erstes optoelektronisches Bauelement zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Dabei kann das bloße Vorhandensein oder Fehlen der ersten Wellenlänge in der auf den Photodetektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung (qualitative Aussage) und/oder die Intensität der Strahlung der ersten Wellenlänge in der einfallenden elektromagnetischen Strahlung (quantitative Aussage) detektiert werden. Das erste optoelektronische Bauelement weisteine erste optische Kavität und mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle auf. Die erste optische Kavität wird durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet. Für alle optischen Kavitäten der vorliegenden Anmeldung wird der Abstand der beiden Spiegelschichten zueinander als physikalische Länge der optischen Kavität, im Folgenden auch kurz als Länge der optischen Kavität, bezeichnet. Die Länge der ersten optischen Kavität ist so ausgestaltet, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle i. Ordnung in der ersten optischen Kavität ausbildet. Dabei gilt allgemein für das Verhältnis einer das Resonanzkriterium erfüllenden Wellenlänge der einfallenden Strahlung und der physikalischen Länge der optischen Kavität folgende Beziehung: wobei L die physikalische Länge der optischen Kavität, l, die einfallende Wellenlänge, a der Einfallswinkel der einfallenden Strahlung in Bezug auf die Normale auf die Oberfläche des optoelektronischen Bauelements, auf die die einfallende Strahlung auftrifft, n die effektive Brechzahl über die gesamte optische Kavität und ggf. weiterer dazwischenliegender Schichten und i die Ordnung der aus der einfallenden Wellenlänge resultierenden Resonanzwelle ist. Dabei ist i eine natürliche Zahl. Entsprechend der Ordnung i der zur ersten Wellenlänge gehörenden Resonanzwelle wird auch das optoelektronische Bauelement als Bauelement i. Ordnung bezeichnet.
Wenn in der folgenden Beschreibung von„der Resonanzwelle“ gesprochen wird, so ist jeweils die Resonanzwelle gemeint, die zu der im jeweiligen optoelektronischen Bauelement zu detektierenden Wellenlänge gehört, wenn nichts anderes ausdrücklich gesagt wird.
Jede in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle enthält eine photoaktive Schicht. Die photoaktive Schicht erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Querschnittsfläche der ersten optischen Kavität, wobei die Querschnittsfläche senkrecht zur Länge der ersten optischen Kavität verläuft. Dabei ist die photoaktive Schicht einer Detektionszelle jeweils so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle innerhalb der photoaktiven Schicht liegt Mit anderen Worten: Je nachdem, welche Ordnung die durch die zu detektierende erste Wellenlänge erzeugte Resonanzwelle aufweist, ist die photoaktive Schicht innerhalb der optischen Kavität angeordnet. Vorzugsweise liegt der Ort des Schwingungsmaximums, also der Ort des Intensitätsmaximums des elektromagnetischen Feldes der Resonanzwelle, dabei möglichst mittig in der photoaktiven Schicht bezogen auf die Dicke der photoaktiven Schicht, die in Richtung der Länge der ersten optischen Kavität gemessen wird. Dabei ist die Schichtdicke der photoaktiven Schicht vorzugsweise so bemessen, dass ein zu dem in der photoaktiven Schicht liegenden Schwingungsmaximum benachbarter Knotenpunkt der Resonanzwelle nicht mehr in der photoaktiven Schicht liegt.
Erfindungsgemäß ist die Ordnung der Resonanzwelle des ersten optoelektronischen Bauelements größer als 1. Mit anderen Worten: In dem ersten optoelektronischen Bauelement wird eine erste Wellenlänge, die in der ersten optischen Kavität eine Resonanzwelle 2., 3., 4. oder höherer Ordnung ausbildet, detektiert, da die photoaktive Schicht in genau einem Schwingungsmaximum dieser Resonanzwelle angeordnet ist. Da Resonanzwellen höherer Ordnung deutlich kleinere Peakbreiten aufweisen als Resonanzwellen erster Ordnung, die im Stand der Technik detektiert wurden, kann eine feinere Unterscheidung verschiedener Wellenlängen, d.h. eine bessere spektrale Auflösung des Photodetektors, erreicht werden.
Vorzugsweise weist mindestens eine der Detektionszellen eine erste Ladungstransportschicht und eine zweite Ladungstransportschicht auf, wobei die photoaktive Schicht zwischen der ersten und der zweiten Ladungstransportschicht angeordnet ist. Die einzelnen Schichten sind übereinander entlang der Länge der ersten optischen Kavität angeordnet. Auch die erste und die zweite Ladungstransportschicht erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Querschnittsfläche der ersten optischen Kavität, wobei die erste Ladungstransportschicht an eine erste Oberfläche der photoaktiven Schicht und die zweite Ladungstransportschicht an eine zweite Oberfläche der photoaktiven Schicht angrenzen und die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche gegenüberliegt. Die Ladungstransportschichten dienen der Verbesserung der Ladungsextraktion aus der photoaktiven Schicht und deren Leitung hin zu elektrischen Kontakten, auch Elektroden genannt, welche die in der Detektionszelle erzeugten elektrischen Signale an eine Auswerteeinheit, die geeignet ist, diese auszuwerten, weiterleiten. Diese Ladungstransportschichten sind insbesondere bei sehr dünnen photoaktiven Schichten mit Dicken kleiner 10 nm vorteilhaft und dann mit einer Dicke größer oder gleich 10 nm ausgebildet. Bei dickeren photoaktiven Schichten können die Ladungstransportschichten auch nur sehr dünn, bspw. mit einer Dicke im Bereich von 1 nm bis 5 nm, ausgebildet sein, womit sie auch als Injektions- oder Extraktionsschichten bezeichnet werden können. In beiden Fällen müssen die Ladungstransportschichten nicht immer zwangsläufig dotierte Schichten sein.
Die Spiegelschichten können als hochreflektierende metallische Schichten, bspw. aus Silber (Ag) oder Gold (Au), semitransparente Metallmischschichten, bspw. aus Ag:Ca, oder als dielektrische Spiegel (DBR - distributed Bragg reflector) ausgebildet sein. Dabei ist mindestens eine der Spiegelschichten halbtransparent, um das ehfallende Licht in die optische Kavität einzulassen, während die andere Spiegelschicht opak sein kann. Diese Eigenschaft kann bspw. über die Dicke der Spiegelschicht und/oder die Materialien und Mischungsverhältnisse der Bestandteile der Spiegelschichten eingestellt werden, was dem Fachmann bekannt ist. Bestehen die Spiegelschichten aus einem elektrisch gut leitenden Material, wie z.B. aus einem leitfähigen Oxid, einer leitfähigen organischen Verbindung oder einem Metall, können die Spiegelschichten als Elektroden zur Weiterleitung der in der Detektionszelle erzeugten elektrischen Signale an eine Auswerteeinheit, die geeignet ist, diese auszuwerten, dienen. Die Auswerteeinheit ist nicht notwendigerweise Bestandteil des Photodetektors, kann aber mit diesem starr verbunden und auf oder in demselben Substrat, auf welchem der Photodetektor ausgebildet ist, ausgebildet sein. Im Falle eines dielektrischen Spiegels kann eine dünne Schicht aus einem elektrisch gut leitenden Material, z.B. eine dünne Metallschicht, auf der der Detektionszelle zugewandten letzten dielektrischen Schicht der Spiegelschicht angeordnet sein, so dass auch in diesem Fall die Spiegelschicht als Elektrode dienen kann. Weitere Möglichkeiten der elektrischen Kontaktierung der Detektionszellen werden später erläutert.
Als photoaktive Schichten kommen, insbesondere für die Detektion von Wellenlängen im nahen Infrarot-Bereich (NIR) mit 800 nm < l, < 10 pm, folgende Materialien in Betracht: Fullerene, bspw. C60 oder C70, gemischt mit Donatoren wie Materialien der Stoffgruppe der Phthalocyanine (wie Zinkphthalocyanin oder Eisenphthalocyanin), der Pyrane, bspw. Bispyraniliden (abgekürzt auch TPDP), der Fulvalene, bspw. Tetrathiofulvalen (abgekürzt auch OMTTF) sowie der aromatischen Amine (bspw. N,N,N',N'-Tetrakis(4-methoxyphenyl)- benzidine (abgekürzt auch MeO-TPD), 2,7-Bis[N,N-bis(4-methoxy-phenyl)amino]9,9-spiro- bifluorene (abgekürzt auch Spiro-MeO-TPD) oder 4,4',4"-Tris(3-methylphenyl- phenylamino)triphenylamin (abgekürzt auch m-MTDATA)), der Bisthiopyranilidene, der Bipyridinylidene oder der Diketopyrrolopyrrole. Möglich wären auch Stoffe wie HatCN:BFDPB, HATCN:4P-TPD, HATCN:a-NPB. Selbstverständlich können auch beliebige andere photoaktive Materialien zum Einsatz kommen, zum Beispiel Polymere, welche mittels Flüssigprozessierung erzeugt wurden, wie etwa aus der Stoffgruppe der Polythiophene (bspw. poly(2,5-bis(3-alkylthiophene-2-yl) thieno[3,2-b]thiophene (abgekürzt auch pBTTT).
Dabei hat eine photoaktive Schicht jeweils vorzugsweise eine Dicke, die im Bereich von 0, 1 nm bis 1 pm liegt, wobei die Dicke der photoaktiven Schicht sowohl vom Material der photoaktiven Schicht als auch vom gesamten Aufbau des optoelektronischen Bauelements abhängt. Besonders bevorzugt liegt die Dicke der photoaktiven Schicht für Charge Transfer Photodioden (CTPD), die den direkten interchromophoren Ladungstransferzustand nutzen, mit z.B. C60:TPDP, im Bereich von 10 nm bis 1000 nm, während sie für Photodioden, welche die direkte Material-Absorption nutzen und in Bulk- oder flachen Hetero-Übergängen (BHJ, FHJ) die Ladungsträger separieren, z.B. C60:ZnPc, im Bereich von 0, 1 nm bis 100 nm liegt.
Als Ladungstransportschichten können beispielsweise aromatische Amine (wie N,N,N',N'- Tetrakis(4-methoxyphenyl)— benzidine (abgekürzt auch MeO-TPD), 2,7-Bis[N,N-bis(4- methoxy-phenyl)amino]9,9-spiro-bifluorene (abgekürzt auch Spiro-MeO-TPD) oder N4,N4'- bis(9,9-dimethyl-9H-fluoren-2-yl)-N4,N4'-diphenylbiphenyl-4,4'-diamine (abgekürzt auch BF- DPB) oder 9,9-bis[4-(N,N-bis-biphenyl-4-yl-amino)phenyl]-9H-fluorene (abgekürzt auch BPAPF)) oder Polymere wie Po-3,4-ethylendioxythiophen Poly(Styrenesulfonat (kurz PEDOT:PSS), SpiroTTB, NDP9, F6-TCNNQ, C60F48, BPhen, C60, HatnaCI6, MH250, W2(hpp)4, Cr2(hpp)4, NDN26 eingesetzt werden. Selbstverständlich können auch andere geeignete Materialien bzw. eine Kombination aus mindestens zwei der benannten Materialien zum Einsatz kommen. Dabei unterscheidet sich das Material der ersten Ladungstransportschicht vom Material der zweiten Ladungstransportschicht einer Detektionszelle dadurch, dass ein Material ein elektronenleitendes Material und das andere ein löcherleitendes Material ist. Das Material der Ladungstransportschichten kann ein dotiertes Material sein, muss jedoch nicht.
Die elektrische Leitfähigkeit der Ladungstransportschichten liegt vorzugsweise im Bereich von größer 10 5 S/cm. Die Dicke der Ladungsträgertransportschichten liegt vorzugsweise im Bereich von 1 nm bis 100 nm, wobei die Dicke im Allgemeinen mit steigender Anzahl von Detektionszellen in der ersten optischen Kavität sinkt. Weiterhin kann die Dicke der ersten Ladungstransportschicht einer Detektionszelle verschieden von der Dicke der zweiten Ladungstransportschicht dieser Detektionszelle sein.
Sind verschiedene Detektionszellen in der ersten optischen Kavität vorhanden, so können sich die photoaktiven Schichten und - wenn vorhanden - die ersten Ladungstransportschichten und die zweiten Ladungstransportschichten der verschiedenen Detektionszellen in Bezug auf das Material und die Dicke voneinander unterscheiden.
Selbstverständlich gilt in jedem Fall, dass die Summe der Dicken aller in der ersten optischen Kavität vorhandenen Schichten, also photoaktive Schicht oder Schichten, ggf. Ladungstransportschichten und/oder weitere Schichten, gleich der Länge der ersten optischen Kavität ist.
In einem Ausführungsbeispiel entspricht die Anzahl der in der ersten optischen Kavität angeordneten Detektionszellen der Ordnung der Resonanzwelle. Das heißt, dass das erste optoelektronische Bauelement genau zwei Detektionszellen, deren photoaktive Schichten jeweils in genau einem und von anderen verschiedenen Schwingungsmaximum der Resonanzwelle angeordnet sind, enthält, wenn die zur Resonanzwelle 2. Ordnung gehörende erste Wellenlänge detektiert werden soll; genau drei Detektionszellen enthält, wenn die zur Resonanzwelle 3. Ordnung gehörende erste Wellenlänge detektiert werden soll, usw. Dabei sind die Detektionszellen jeweils übereinander entlang der Länge der ersten optischen Kavität angeordnet, müssen jedoch nicht aneinandergrenzen.
Alternativ kann auch eine geringere Anzahl von Detektionszellen als die Ordnung der Resonanzwelle in der ersten optischen Kavität angeordnet sein. So ist bspw. auch zur Detektion einer Resonanzwelle zweiter, dritter oder höherer Ordnung prinzipiell eine Detektionszelle ausreichend, deren photoaktive Schicht so innerhalb der optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle darin liegt. Dies vereinfacht die Herstellung des Photodetektors und verringert die Herstellungskosten durch den Einsatz einfacher und kostengünstiger Materialien anstelle der nicht ausgebildeten Detektionszellen.
Vorzugsweise ist in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch absorbierende Zwischenschicht jeweils so angeordnet, dass genau ein Schwingungsknoten der Resonanzwelle in der optisch absorbierenden Zwischenschicht liegt. Für optoelektronische Bauelemente, die zur Detektion von Resonanzwellen höherer Ordnung als der 2. Ordnung ausgebildet sind, sind vorzugsweise mehrere optisch absorbierende Zwischenschichten so angeordnet, dass jeder Schwingungsknoten der Resonanzwelle in genau einer optisch absorbierenden Zwischenschicht liegt. Die mindestens eine optisch absorbierende Zwischenschicht dient der Absorption von Resonanzwellen anderer Ordnung als die der Resonanzwelle, die zur ersten Wellenlänge gehört. Insbesondere werden in den Knotenpunkten Resonanzwellen, die zu der zur ersten Wellenlänge gehörigen Resonanzwelle benachbart sind, ausgelöscht, während die zur ersten Wellenlänge gehörende Resonanzwelle kaum beeinflusst wird. Damit können die Zuordnung eines detektierten elektrischen Signals zu der ersten Wellenlänge für einen größeren Bereich der ersten Wellenlänge sichergestellt und die Einsatzmöglichkeiten eines solchen Photodetektors vergrößert werden.
In Ausführungsformen grenzt mindestens eine der optisch absorbierenden Zwischenschichten direkt an eine Detektionszelle, das heißt an die photoaktive Schicht oder an eine der Ladungstransportschichten, wenn diese vorhanden sind, dieser Detektionszelle, an und besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material. Sie ist des Weiteren geeignet, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden. Eine derartige Zwischenschicht dient somit als elektrischer Kontakt dem Abgriff der elektrischen Signale aus der Detektionszelle, auch wenn die photoaktive Schicht oder eine entsprechende Ladungstransportschicht, wenn vorhanden, der betreffenden Detektionszelle nicht direkt an eine elektrisch leitfähige Spiegelschicht angrenzt.
In weiteren Ausführungsformen ist in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch transparente Kontaktschicht angeordnet, die direkt an eine Detektionszelle, das heißt die photoaktive Schicht oder, wenn vorhanden, an eine der Ladungstransportschichten dieser Detektionszelle, angrenzt und aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht Diese Kontaktschicht ist geeignet, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden. Sie dient somit als elektrischer Kontakt dem Abgriff der elektrischen Signale aus der Detektionszelle, auch wenn die photoaktive Schicht oder eine entsprechende Ladungstransportschicht, wenn vorhanden, der betreffenden Detektionszelle nicht direkt an eine elektrisch leitfähige Spiegelschicht oder eine elektrisch leitfähige Zwischenschicht angrenzt. Dabei ist sie insbesondere für die zur ersten Wellenlänge gehörige Resonanzwellenlänge optisch transparent.
Als Materialien für eine optisch absorbierende Zwischenschicht können Schichten aus organischen kleinen Molekülen, organische Mischschichten oder Polymere, z.B. hochdotierte löcherleitende Materialien wie MeO-TPD:F6TCNNQ oder PEDOT:PSS mit Quantum Dots (QD), zum Einsatz kommen. Soll die optisch absorbierende Zwischenschicht elektrisch leitfähig sein, so können auch Metalle, wie Ag, oder Metallgemische, wie Ag:Ca, oder leitfähige Oxide, wie Indiumzinnoxid (ITO) oder Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumdotiertes Zinkoxid (AZO) eingesetzt werden. Auch eine optisch transparente Kontaktschicht kann aus denselben Materialien bestehen. Die optischen und elektrischen Eigenschaften einer solchen Zwischen- bzw. Kontaktschicht lassen sich dabei über die Dicke und die Mischung der Materialien einstellen. Die Dicke der Schichten liegt für Metalle vorzugsweise im Bereich von 0, 1 nm bis 40 nm, weiter bevorzugt im Bereich von 5 nm bis 10 nm, während sie für Polymere oder Oxide im Bereich von 20 nm bis 100 nm, weiter bevorzugt im Bereich von 30 nm bis 60 nm, liegt, wobei jeweils kleine Dicken mit einer größeren optischen Transparenz verbunden sind
Unter einer optisch absorbierenden Schicht im Sinne dieser Anmeldung, die als optisch absorbierende Zwischenschicht angewendet wird, wird dabei eine Schicht verstanden, die geeignet ist, so viel Energie einer spezifischen elektromagnetischen Welle zu absorbieren, dass diese ausgelöscht wird. Eine derartige spezifische elektromagnetische Welle hat eine Wellenlänge, die von der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwellenlänge verschieden ist. Für diesen Zweck kann das Material der optisch absorbierenden Schicht nur für Wellenlängen, die von der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwellenlänge verschieden sind, absorbierend sein, während es für die der ersten Wellenlänge zugeordnete Resonanzwellenlänge nicht absorbierend ist. Jedoch ist eine derartige spezifische Wellenlängenabhängigkeit des Absorptionskoeffizienten für die meisten Materialen nicht in ausreichendem Umfang für benachbarte Resonanzwellenlängen gegeben, wodurch eine Auswahl der absorbierten Wellenlängen auch über die räumliche Anordnung der absorbierenden Schicht innerhalb der optischen Kavität erfolgt, wie dies zuvor beschrieben wurde. Da allgemein gilt, dass der Absorptionsgrad für eine elektromagnetische Welle vom Produkt aus dem Absorptionskoeffizienten k des Materials bei der spezifischen Wellenlänge der elektromagnetischen Welle und der Dicke d der Schicht sowie der Energie E der elektromagnetischen Welle im Bereich der Schicht abhängt, weist dieses Produkt für eine Wellenlänge, die nicht der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwellenlänge entspricht, erfindungsgemäß einen Wert von größer oder gleich 1 · E auf ( k d E > 1 E ). Damit kann eine Schicht aus einem Material mit einem sehr hohen Absorptionskoeffizienten k sehr dünn ausgeführt sein, während eine Schicht aus einem Material mit einem vergleichsweise niedrigen Absorptionskoeffizienten k entsprechend dicker ausgeführt sein muss, um die Auslöschung einer spezifischen elektromagnetischen Welle zu erreichen. Demgegenüber wird im Sinne dieser Anmeldung unter einer optisch transparenten Schicht, die bspw. als Abstandshalterschicht oder als optisch transparente Kontaktschicht angewendet wird, eine Schicht verstanden, die möglichst wenig Energie einer spezifischen elektromagnetischen Welle absorbiert und damit diese Welle kaum oder zumindest weniger als die photoaktive Schicht beeinflusst. Hier ist die spezifische elektromagnetische Welle diejenige, welche die der ersten Wellenlänge zugeordnete Resonanzwellenlänge aufweist. Dazu weist das Produkt aus dem Absorptionskoeffizienten k des Materials bei der Wellenlänge der spezifischen elektromagnetischen Welle und der Dicke d der Schicht sowie der Energie E der spezifischen elektromagnetischen Welle im Bereich der Schicht einen Wert von kleiner 1 auf ( k - d - E < 1 - E ). Damit kann eine Schicht aus einem Material mit einem sehr kleinen Absorptionskoeffizienten k relativ dick ausgeführt sein, während eine Schicht aus einem Material mit einem vergleichsweise höheren Absorptionskoeffizienten k entsprechend dünner ausgeführt sein muss, um die Beeinflussung einer spezifischen elektromagnetischen Welle gering zu halten. Typische Absorptionskoeffizienten für Metalle liegen bspw. im Bereich von größer 0,5, während typische Materialien für die photoaktiven Schichten Absorptionskoeffizienten von kleiner 0,01 aufweisen. Typische Materialien für Ladungstransportschichten weisen Absorptionskoeffizienten von kleiner 0,1 auf.
Wird der elektrische Kontakt der Detektionszelle zur Auswerteeinheit über eine solche Zwischenschicht oder Kontaktschicht hergestellt, kann die dann nicht mehr für den elektrischen Kontakt notwendige Spiegelschicht auf ihre optischen, d.h. spiegelnden oder semitransparenten, Eigenschaften hin optimiert werden. Durch die Entkopplung der optischen und elektrischen Elemente des optoelektronischen Bauelements ist eine Verbesserung des Detektionsergebnisses über die Verbesserung der optischen Eigenschaften der Spiegelschichten möglich. In anderen Ausführungsformen weist das erste optoelektronische Bauelement mindestens einen Außenkontakt auf, der an eine äußere Oberfläche einer Detektionszelle, das heißt an eine äußere Oberfläche der photoaktiven Schicht oder einer der Ladungstransportschichten, wenn vorhanden, angrenzt und aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht Dieser Außenkontakt ist geeignet, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden. Ein solcher Außenkontakt dient somit als elektrischer Kontakt dem Abgriff der elektrischen Signale aus der betreffenden Detektionszelle, auch wenn die photoaktive Schicht oder eine Ladungstransportschicht, wenn vorhanden, dieser Detektionszelle nicht direkt an eine elektrisch leitfähige Spiegelschicht oder eine elektrisch leitfähige Zwischenschicht oder Kontaktschicht angrenzt. Als Materialien für einen solchen Außenkontakt kommen insbesondere Metalle, wie Ag oder Au, zum Einsatz.
Vorzugsweise weist das erste optoelektronische Bauelement mindestens zwei derartige Außenkontakte auf, die an gegenüberliegenden Seiten der Detektionszelle angeordnet sind. Die gegenüberliegenden Seiten sind entsprechende Seiten der Detektionszelle, die entlang der Länge der optischen Kavität voneinander beabstandet sind, also bspw. eine erste Seite der photoaktiven Schicht, die der ersten Spiegelschicht zugewandt ist, und eine zweite Seite der photoaktiven Schicht, die der zweiten Spiegelschicht zugewandt ist, oder die erste Ladungstransportschicht und die zweite Ladungstransportschicht. Selbstverständlich muss in jedem Fall eine elektrische Trennung der beiden Außenkontakte voneinander gegeben sein. Damit sind Außenkontakte, die direkt an die photoaktive Schicht angrenzen, eher für dicke photoaktive Schichten einsetzbar und nicht für sehr dünne photoaktive Schichten Da in der Ausführungsform mit zwei Außenkontakte in einer Detektionszelle keine zusätzlichen elektrisch leitenden Schichten, die die Resonanzwelle optisch beeinflussen könnten, in der Detektionszelle vorliegen und gleichzeitig die elektrische Kontaktierung der Detektionszelle von den Spiegelschichten entkoppelt ist, können die in der optischen Kavität vorhandenen Schichten auf ihre optischen Eigenschaften hin optimiert werden. Damit ist eine weitere Verbesserung des Detektionsergebnisses über die Verbesserung der Kavitätsgüte möglich.
In einem optoelektronischen Bauelement können auch verschiedene der oben beschriebenen Möglichkeiten zur elektrischen Kontaktierung in einer Detektionszelle oder für verschiedene Detektionszellen zum Einsatz kommen.
In Ausführungsformen des Photodetektors ist in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch transparente Abstandshalterschicht angeordnet, die zwischen einer der Spiegelschichten und einer zu dieser Spiegelschicht benachbarten Detektionszelle angeordnet ist. Die optisch transparente Abstandshalterschicht ist eine Schicht, die zumindest die stehende Welle mit der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwellenlänge kaum beeinflusst, wie dies oben beschrieben wurde. Das Material und die Dicke der Abstandshalterschicht werden entsprechend der oben beschriebenen Bedingungen ausgewählt, wobei die Dicke auch von den Dicken der anderen in der optischen Kavität vorhandenen Schichten und der Länge der optischen Kavität abhängt.
Sind zwei oder mehr Detektionszellen in der ersten optischen Kavität angeordnet, so ist in Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Photodetektors eine optisch transparente Abstandshalterschicht der oben beschriebenen Art zwischen zwei, in der ersten optischen Kavität entlang der Länge der ersten optischen Kavität übereinander angeordneten Detektionszellen angeordnet.
Die optisch transparenten Abstandshalterschichten sind dabei vorzugsweise elektrisch nichtleitend, das heißt elektrisch isolierend, und bestehen vorzugsweise aus transparenten Oxiden, wie bspw. AI2O3, S1O2, T1O2 oder organischen Verbindungen, wie sie bspw. auch für die Ladungstransportschichten genutzt werden. Dabei haben diese Schichten vorzugsweise eine Ladungsträgermobilität kleiner 10 6 cm2/Vs und damit nur eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit. In diesem Fall wird der elektrische Kontakt der Ladungstransportschicht einer an die Abstandshalterschicht angrenzenden Detektionszelle zur Auswerteeinheit über eine elektrisch leitende Zwischenschicht oder Kontaktschicht oder einen Außenkontakt, wie dies oben beschrieben wurde, hergestellt. Die dann nicht mehr für den elektrischen Kontakt notwendige Spiegelschicht sowie auch die übrigen Schichten innerhalb der optischen Kavität können somit auf ihre optischen oder elektrischen Eigenschaften hin unabhängig voneinander optimiert werden. Durch die Entkopplung der optischen und elektrischen Elemente des Photodetektors ist eine Verbesserung des Detektionsergebnisses möglich.
In Ausführungsformen enthält der Photodetektor ein zweites optoelektronisches Bauelement zur Detektion einer zweiten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Das zweite optoelektronische Bauelement weist, ähnlich wie das erste optoelektronische Bauelement, eine zweite optische Kavität und mindestens eine in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle auf. Auch die zweite optische Kavität wird durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet, wobei die Länge der zweiten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die zweite Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle j. Ordnung in der zweiten optischen Kavität ausbildet. Jede Detektionszelle des zweiten optoelektronischen Bauelements enthält eine photoaktive Schicht. Dabei ist die photoaktive Schicht jeweils so innerhalb der zweiten optischen Kavität angeordnet, dass ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle innerhalb der photoaktiven Schicht liegt. In einem solchen Photodetektor unterscheidet sich die Länge der ersten optischen Kavität von der Länge der zweiten optischen Kavität und/oder die Ordnung der der zweiten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle von der Ordnung der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle. Dabei kann die Ordnung der Resonanzwelle des zweiten optoelektronischen Bauelements auch die 1. Ordnung sein. Vorzugsweise enthält auch mindestens eine Detektionszelle des zweiten optoelektronischen Bauelements eine erste Ladungstransportschicht und eine zweite Ladungstransportschicht, zwischen denen die photoaktive Schicht angeordnet ist. Das heißt, die genannten Schichten sind übereinander, also aneinander angrenzend, entlang der Länge der zweiten optischen Kavität angeordnet.
In einem solchen Photodetektor können das erste und das zweite optoelektronische Bauelement entlang einer Richtung senkrecht zur Länge der ersten und der zweiten optischen Kavität nebeneinander angeordnet sein. Diese Anordnung wird auch als laterale Anordnung bezeichnet. Dabei können sie voneinander beabstandet und physisch voneinander getrennt sein, so dass jedes optoelektronische Bauelement einzeln (separat) mit einer Auswerteeinheit verbindbar ist. Das erste und das zweite optoelektronische Bauelement können auch aneinander angrenzend angeordnet sein, wobei jedoch eine elektrische Trennung der Ladungstransportschichten, wenn vorhanden, und/oder der die elektrischen Signale nach außen führenden Schichten, wie bspw. Spiegelschichten, Zwischenschichten oder Kontaktschichten, der optoelektronischen Bauelemente, das heißt eine Pixelung dieser Schichten, notwendig ist. Eine vorgegebene laterale Anordnung verschiedener optoelektronischer Bauelemente kann auch ein- oder mehrmals wiederkehrend entlang einer Richtung senkrecht zur Länge der optischen Kavitäten nebeneinander, d.h. lateral nebeneinander, angeordnet sein. Damit kann ein bilderzeugendes System, ein sogenanntes Imagersystem, realisiert werden.
In anderen Ausführungsformen eines Photodetektors mit zwei optoelektronischen Bauelementen sind das erste und das zweite optoelektronische Bauelement übereinander angeordnet, so dass sich die Längen der ersten optischen Kavität und der zweiten optischen Kavität entlang einer gemeinsamen Linie erstrecken. Diese Anordnung wird auch als vertikale Anordnung bezeichnet. Dabei sind die erste und die zweite optische Kavität durch eine halbtransparente Spiegelschicht miteinander verbunden, das heißt, die erste optische Kavität und die zweite optische Kavität teilen sich diese halbtransparente Spiegelschicht, die in jedem der beiden optoelektronischen Bauelemente jeweils als ein Spiegel dient Mit diesem Aufbau, der einer Stapelung von optoelektronischen Bauelementen gleicht, kann zum einen die aktive Fläche des Photodetektors reduziert werden. Zum anderen ermöglicht dieser Aufbau einen selektiv auf bestimmte Einfallswinkel der einfallenden elektromagnetischen Strahlung reagierenden Photodetektor, bei dem ein optoelektronisches Bauelement mit einer großen Länge der optischen Kavität eine definierte Wellenlänge oder einen definierten Wellenlängenbereich in der einfallenden Strahlung unter großen Einfallswinkeln detektiert, während ein optoelektronisches Bauelement mit einer kleineren Länge der optischen Kavität dieselbe definierte Wellenlänge bzw. denselben definierten Wellenlängenbereich in der einfallenden Strahlung unter kleinen Einfallswinkeln detektiert, wenn beide optoelektronischen Bauelemente Bauelemente derselben Ordnung sind. Selbstverständlich kann das winkelabhängige unterschiedliche Ansprechverhalten der beiden optoelektronischen Bauelemente nicht oder nicht nur über die Länge der optischen Kavität, sondern auch oder zusätzlich über verschiedene Ordnungen der optoelektronischen Bauelemente erreicht werden.
Ein Photodetektor zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt enthält ein erstes optoelektronisches Bauelement zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Dabei kann das bloße Vorhandensein oder Fehlen der ersten Wellenlänge in der auf den Photodetektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung (qualitative Aussage) und/oder die Intensität der Strahlung der ersten Wellenlänge in der einfallenden elektromagnetischen Strahlung (quantitative Aussage) detektiert werden. Das erste optoelektronische Bauelement weist eine erste optische Kavität, eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle und mindestens eine optisch transparente Abstandshalterschicht auf. Die erste optische Kavität wird durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet, wobei die Länge der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle i. Ordnung in der ersten optischen Kavität ausbildet. Es gilt die bereits oben angegebene Formel (1), wobei i größer als oder gleich 1 sein kann.
Die in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle enthält eine photoaktive Schicht, die sich vorzugsweise über die gesamte Querschnittsfläche der ersten optischen Kavität erstreckt, wobei die Querschnittsfläche senkrecht zur Länge der ersten opüschen Kavität verläuft. Dabei ist die photoaktive Schicht der Detektionszelle so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet, dass das Schwingungsmaximum der Resonanzwelle innerhalb der photoaktiven Schicht liegt. Damit ist die photoaktive Schicht vorzugsweise mittig in der ersten optischen Kavität bezogen auf deren Länge angeordnet.
Vorzugsweise weist die Detektionszelle weiterhin eine erste Ladungstransportschicht und eine zweite Ladungstransportschicht auf, wobei die photoaktive Schicht zwischen der ersten und der zweiten Ladungstransportschicht angeordnet ist. Die einzelnen Schichten sind übereinander entlang der Länge der ersten optischen Kavität angeordnet. Auch die erste und die zweite Ladungstransportschicht erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Querschnittsfläche der ersten optischen Kavität, wobei die erste Ladungstransportschicht an eine erste Oberfläche der photoaktiven Schicht und die zweite Ladungstransportschicht an eine zweite Oberfläche der photoaktiven Schicht angrenzen und die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche gegenüberliegt. Die Ladungstransportschichten dienen der Verbesserung der Ladungsextraktion aus der photoaktiven Schicht und deren Leitung hin zu elektrischen Kontakten, auch Elektroden genannt, welche die in der Detektionszelle erzeugten elektrischen Signale an eine Auswerteeinheit, die geeignet ist, diese auszuwerten, weiterleiten. Diese Ladungstransportschichten können sehr dünn ausgebildet sein, womit sie auch als Injektions oder Extraktionsschichten bezeichnet werden können. Es müssen nicht immer zwangsläufig dotierte Schichten sein.
Die mindestens eine optisch transparente Abstandshalterschicht ist zwischen einer der Spiegelschichten und der Detektionszelle, das heißt zwischen der betreffenden Spiegelschicht und der photoaktiven Schicht oder zwischen der betreffenden Spiegelschicht und der zu dieser Spiegelschicht benachbarten Ladungstransportschicht der Detektionszelle, angeordnet. Die optisch transparente Abstandshalterschicht ist bezüglich ihrer optischen Eigenschaften wie oben dargelegt ausgebildet und außerdem elektrisch isolierend. Damit kann ein elektrisches Signal von der photoaktiven Schicht oder der entsprechenden Ladungstransportschicht nicht über die entsprechende benachbarte Spiegelschicht ausgelesen, das heißt einer Auswerteeinheit zugeführt, werden.
Erfindungsgemäß weist daher das erste optoelektronische Bauelement des Photodetektors gemäß dem zweiten Aspekt mindestens einen Außenkontakt auf, der an eine äußere Oberfläche der Detektionszelle, das heißt der photoaktiven Schicht oder der Ladungstransportschicht - wenn vorhanden -, die durch die mindestens eine Abstandshalterschicht von der benachbarten Spiegelschicht getrennt ist, angrenzt Der Außenkontakt besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie dies bereits mit Hinsicht auf den Photodetektor gemäß dem ersten Aspekt beschrieben wurde, und ist geeignet, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit verbunden zu werden, wobei die Auswerteeinheit geeignet ist, die von der Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements erzeugten elektrischen Signale auszuwerten.
Da auf eine elektrisch leitende Kontaktschicht, die sich über große Bereiche der Querschnittsfläche der ersten optischen Kavität erstreckt, verzichtet und der elektrische Kontakt stattdessen an die äußere Oberfläche der Detektionszelle verlegt wird, wird die optische Ausbreitung der Resonanzwelle in der optischen Kavität weniger gestört, wodurch die Kavitätsgüte der ersten optischen Kavität verbessert wird. Darüber hinaus können die im optischen Weg der Resonanzwelle angeordneten Schichten bezüglich ihrer Materialien auf ihre optischen Eigenschaften hin optimiert werden. Dies alles trägt zur Verbesserung des Detektionsergebnisses bei.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Photodetektors gemäß dem zweiten Aspekt isteine optisch transparente Abstandshalterschicht, wie bereits beschrieben, zwischen jeder der Spiegelschichten und der Detektionszelle, das heißt, zwischen der betreffenden Spiegelschicht und der photoaktiven Schicht oder der zu dieser Spiegelschicht benachbarten Ladungstransportschicht der Detektionszelle, angeordnet, und das erste optoelektronische Bauelement weist mindestens zwei Außenkontakte auf, wobei jeweils ein Außenkontakt an die äußere Oberfläche der Detektionszelle auf einer ersten Seite und an die äußere Oberfläche der Detektionszelle auf einer zweiten Seite angrenzt. Dabei liegen sich die erste Seite und die zweite Seite der Detektionszelle entlang der Länge der ersten optischen Kavität gegenüber. Damit grenzt jeder Außenkontakt entweder an die äußere Oberfläche der photoaktiven Schicht an einer ersten oder zweiten Seite der Detektionszelle oder an eine äußere Oberfläche der ersten Ladungstransportschicht oder der zweiten Ladungstransportschicht, wenn vorhanden, an.
Ein Photodetektor zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Aspekt enthält ein erstes optoelektronisches Bauelement zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und ein zweites optoelektronisches Bauelement zur Detektion einer zweiten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Auch hier kann das bloße Vorhandensein oder Fehlen der ersten oder der zweiten Wellenlänge in der auf den Photodetektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung (qualitative Aussage) und/oder die Intensität der Strahlung der ersten oder der zweiten Wellenlänge in der einfallenden elektromagnetischen Strahlung (quantitative Aussage) detektiert werden.
Das erste optoelektronische Bauelement weist eine erste optische Kavität und mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle auf. Die erste optische Kavität wird durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet, wobei die Länge der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle i. Ordnung in der ersten optischen Kavität ausbildet. Es gilt die bereits oben angegebene Formel (1). Jede in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle enthält eine photoaktive Schicht, wie dies bereits mit Bezug auf den Photodetektor gemäß dem ersten Aspekt erläutert wurde. Dabei ist die photoaktive Schicht einer Detektionszelle jeweils so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle i. Ordnung innerhalb der photoaktiven Schicht liegt. Auch dies entspricht dem ersten optoelektronischen Bauelement gemäß dem ersten Aspekt. Jedoch kann die Resonanzwelle im Unterschied zum Photodetektor gemäß dem ersten Aspekt auch eine Resonanzwelle 1. Ordnung sein, d.h. i > 1.
Das zweite optoelektronische Bauelement weist eine zweite optische Kavität und mindestens eine in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle auf. Die zweite optische Kavität wird durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet, wobei die Länge der zweiten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle j. Ordnung in der ersten optischen Kavität ausbildet. Es gilt die bereits oben angegebene Formel (1), wobei i durch j ersetzt wird.
Jede in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle enthält eine photoaktive Schicht, wie dies bereits mit Bezug auf das erste optoelektronische Bauelement erläutert wurde. Dabei ist die photoaktive Schicht einer Detektionszelle jeweils so innerhalb der zweiten optischen Kavität angeordnet, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle j. Ordnung innerhalb der photoaktiven Schicht liegt. Auch dies entspricht dem Aufbau des ersten optoelektronischen Bauelements. Auch hier kann die Resonanzwelle eine Resonanzwelle 1. Ordnung oder höherer Ordnung sein.
Vorzugsweise weist mindestens eine Detektionszelle der ersten und/oder der zweiten optischen Kavität weiterhin eine erste Ladungstransportschicht und eine zweite Ladungstransportschicht auf, wie dies bereits mit Bezug auf den Photodetektor gemäß dem ersten Aspekt erläutert wurde.
Erfindungsgemäß unterscheiden sich die Länge der zweiten optischen Kavität von der Länge der ersten optischen Kavität und/oder die Ordnung der der zweiten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle von der Ordnung der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle Dabei können auch die Resonanzwellen beider optoelektronischer Bauelemente Resonanzwellen 1. Ordnung sein. Des Weiteren sind das erste und das zweite optoelektronische Bauelement erfindungsgemäß übereinander angeordnet, so dass sich die Längen der ersten und der zweiten optischen Kavität entlang einer gemeinsamen Linie erstrecken, wobei die erste und die zweite optische Kavität durch eine halbtransparente Spiegelschicht, die jeweils eine der Spiegelschichten der ersten optischen Kavität und der zweiten optischen Kavität ist, miteinander verbunden sind.
Mit diesem Aufbau, der einer Stapelung von optoelektronischen Bauelementen Reicht, kann zum einen die aktive Fläche des Photodetektors reduziert werden. Zum anderen ermöglicht dieser Aufbau einen selektiv auf bestimmte Einfallswinkel der einfallenden elektromagnetischen Strahlung reagierenden Photodetektor, bei dem ein optoelektronisches Bauelement mit einer großen Länge der optischen Kavität eine definierte Wellenlänge in der einfallenden Strahlung unter großen Einfallswinkeln detektiert, während ein optoelektronisches Bauelement mit einer kleineren Länge der optischen Kavität dieselbe definierte Wellenlänge in der einfallenden Strahlung unter kleinen Einfallswinkeln detektiert, wenn beide optoelektronischen Bauelemente Bauelemente derselben Ordnung sind. Selbstverständlich kann das winkelabhängige unterschiedliche Ansprechverhalten der beiden optoelektronischen Bauelemente nicht oder nicht nur über die Länge der optischen Kavität, sondern auch oder zusätzlich über verschiedene Ordnungen der optoelektronischen Bauelemente erreicht werden.
Die halbtransparente Spiegelschicht, die zu beiden optoelektronischen Bauelementen gehört, besteht aus einem oder mehreren der bereits im Zusammenhang mit dem Photodetektor gemäß dem ersten Aspekt benannten Materialien, wobei die Dicke des Materials in Bezug auf die Reflektion der ersten oder der zweiten Wellenlänge und die Transparenz der jeweils anderen der ersten oder der zweiten Wellenlänge eingestellt ist. Dient die halbtransparente Spiegelschicht als elektrischer Kontakt zum Auslesen der in mindestens einem der beiden optoelektronischen Bauelemente erzeugten elektrischen Signale, so ist die halbtransparente Spiegelschicht elektrisch leitfähig.
In Ausführungsformen entspricht die Anzahl der in der ersten optischen Kavität und/oder in der zweiten optischen Kavität angeordneten Detektionszellen der Ordnung der jeweiligen Resonanzwelle.
In einem oder beiden optoelektronischen Bauelementen können, wie mit Bezug auf das erste optoelektronische Bauelement des Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt beschrieben, eine optisch transparente und elektrisch leitende Kontaktschicht oder eine Abstandhalterschicht zwischen einer der Spiegelschichten und einer zu dieser Spiegelschicht benachbarten Detektionszelle angeordnet sein. Ist eines der optoelektronischen Bauelemente ein Bauelement mit einer Ordnung größer 1 , so können auch jeweils eine optisch transparente Abstandshalterschicht zwischen zwei, in der optischen Kavität dieses optoelektronischen Bauelements entlang der Länge dieser optischen Kavität übereinander angeordneten Detektionszellen oder eine oder mehrere optisch absorbierende Zwischenschichten ausgebildet sein.
Weiterhin kann mindestens eine der Detektionszellen des ersten optoelektronischen Bauelements oder des zweiten optoelektronischen Bauelements mindestens einen Außenkontakt aufweisen, der an eine äußere Oberfläche der photoaktiven Schicht oder einer der Ladungstransportschichten angrenzt, aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und geeignet ist, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit verbunden zu werden, wobei die Auswerteeinheit geeignet ist, die von der Detektionszelle erzeugten elektrischen Signale auszuwerten. Dabei ist auch hier die Ordnung der Resonanzwelle im entsprechenden optoelektronischen Bauelement nicht von Bedeutung.
Selbstverständlich können auch noch ein oder mehrere weitere optoelektronische Bauelemente über das erste und das zweite optoelektronische Bauelement gestapelt werden, wobei jeweils eine halbtransparente Spiegelschicht zwischen benachbarten optoelektronischen Bauelementen angeordnet ist und zu beiden benachbarten Bauelementen gehört.
Die Materialien der einzelnen Schichten der optoelektronischen Bauelemente eines Photodetektors gemäß dem zweiten oder dritten Aspekt der Erfindung gleichen den in Bezug auf die Schichten des optoelektronischen Bauelements des Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung genannten Materialien.
Der Photodetektor gemäß jedem der Aspekte der Erfindung kann auf einem Substrat ausgebildet und als Schutz vor Umwelteinflüssen von einer Einhausung oder Verkapselung umgeben sein. Dabei muss jedoch zumindest das Substrat oder die Einhausung transparent für die einfallende elektromagnetische Strahlung sein, damit diese auf den Photodetektor auftreffen kann.
Im Sinne der Erfindung können die Ausführungsformen oder einzelne Merkmale zur Ausgestaltung der optoelektronischen Bauelemente und des Photodetektors miteinander kombiniert werden, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Im Nachfolgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren verdeutlicht werden. Dabei sind die Abmessungen der einzelnen Elemente sowie deren Relation zueinander nicht maßstäblich, sondern nur schematisch wiedergegeben. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende gleichartige Bauteile.
Es zeigen im Längsschnitt, wenn nicht anders aufgeführt Fig. 1A eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das optoelektronische Bauelement ein Bauelement 2. Ordnung ist und zwei Detektionszellen aufweist,
Fig. 1 B eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das optoelektronische Bauelement ein Bauelement 2. Ordnung ist und eine Detektionszelle aufweist,
Fig. 1C eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das optoelektronische Bauelement ein Bauelement 3. Ordnung ist und drei Detektionszellen aufweist,
Fig. 2 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das optoelektronische Bauelement ein Bauelement 2. Ordnung ist und eine optisch absorbierende Zwischenschicht aufweist,
Fig. 3 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das optoelektronische Bauelement ein Bauelement 2. Ordnung ist und Abstandshalterschichten sowie optisch transparente und elektrisch leitende Kontaktschichten aufweist,
Fig. 4A eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das optoelektronische Bauelement ein Bauelement 2. Ordnung ist und Abstandshalterschichten sowie elektrische Außenkontakte aufweist,
Fig. 4B eine Draufsicht auf einen Querschnitt durch den Photodetektor der Fig. 4A entlang der Linie A-A‘,
Fig. 5A eine siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei der Photodetektor zwei optoelektronische Bauelemente aufweist, die nebeneinander angeordnet sind,
Fig. 5B eine achte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei der Photodetektor zwei optoelektronische Bauelemente aufweist, die übereinander angeordnet sind,
Fig. 6A eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, wobei das optoelektronische Bauelement ein Bauelement 1. Ordnung ist und elektrische Außenkontakte sowie optisch transparente Abstandshalterschichten aufweist,
Fig. 6B eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, wobei die Detektionszelle Ladungstransportschichten umfasst, und
Fig. 7 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem dritten
Aspekt der Erfindung, wobei der Photodetektor zwei optoelektronische Bauelemente 1. Ordnung aufweist, die übereinander angeordnet sind.
Die Figuren 1A bis 5B zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Für alle Ausführungsformen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist charakteristisch, dass mindestens ein optoelektronisches Bauelement ein Bauelement zweiter oder höherer Ordnung ist.
Figur 1A zeigt eine erste Ausführungsform 1 des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Der Photodetektor 1 weist ein optoelektronisches Bauelement 100 auf, welches zwischen einem transparenten ersten Substrat 201 , bspw. aus Glas oder transparentem Kunststoff, und einem zweiten Substrat 202 angeordnet ist. Das zweite Substrat 202 kann ebenfalls transparent sein, kann aber auch opak, halbtransparent oder reflektierend ausgebildet sein und kann bspw. eine Verkapselung aus Glas, Metall oder Kunststoff sein. Dabei beziehen sich die optischen Eigenschaften des ersten und des zweiten Substrats 201 , 202 auf eine Strahlung mit der im Photodetektor 1 zu detektierenden ersten Wellenlänge. Aus einer Strahlungsquelle 300 fällt einfallende Strahlung 301 , die bspw. ein breites Spektrum an Wellenlängen vom UV-Licht bis hin zur Infrarot-Strahlung, d.h. im Bereich von 100 nm bis 50 pm, oder auch nur verschiedene Wellenlängen eines Spektralbereiches, z.B. des Infrarot-Bereichs von 780 nm bis 50 pm, oder auch nur eine einzelne Wellenlänge in einem dieser Bereiche enthalten kann, auf den Photodetektor 1. Die einfallende Strahlung 301 kann bspw. Strahlung, die durch ein Medium, z.B. eine Flüssigkeit, hindurchgetreten ist, oder die von einem Medium, z.B. einem Festkörper, reflektiert wurde, sein oder eine direkt von der Strahlungsquelle 300 erzeugte Strahlung sein. Die einfallende Strahlung 301 kann, wie in Fig. 1A dargestellt, durch das erste Substrat 201 in das optoelektronische Bauelement 100 eintreten, kann aber auch durch das zweite Substrat 202 in das optoelektronische Bauelement 100 eintreten, wenn das zweite Substrat 202 entsprechend ausgebildet ist.
Das optoelektronische Bauelement 100 weist eine halbtransparente erste Spiegelschicht 11, die an das erste Substrat 201 angrenzend angeordnet ist, und eine zweite Spiegelschicht 12, die vollständig reflektierend und an das zweite Substrat 202 angrenzend angeordnet ist, auf. Beide Spiegelschichten 1 1 , 12 bestehen beispielsweise aus Silber (Ag), wobei die erste Spiegelschicht 1 1 eine kleinere Dicke, bspw. 27 nm, aufweist als die zweite Spiegelschicht 12, welche bspw. eine Dicke von 100 nm hat. Die erste Spiegelschicht 1 1 und die zweite Spiegelschicht 12 sind parallel zueinander in einem Abstand L zueinander angeordnet und bilden damit zwischen sich eine optische Kavität aus. Die Länge der optischen Kavität, d.h. der Abstand L, sowie die Dicken der einzelnen Schichten des optoelektronischen Bauelements 100 werden jeweils senkrecht zu den parallelen Ebenen der Spiegelschichten 11 und 12 gemessen. Für spezifische erste Wellenlängen der einfallenden Strahlung 301 bilden sich gemäß der bereits erwähnten Formel (1 ) stehende Resonanzwellen verschiedener Ordnungen und entsprechender Resonanzwellenlängen in der optischen Kavität aus. Beispielhaft ist eine Resonanzwelle 13 2. Ordnung in Figur 1A dargestellt, deren Wellenlänge mit der im Photodetektor 1 zu detektierenden ersten Wellenlänge über die effektive Brechzahl der optischen Kavität und der im Strahlungsweg vorhandenen Schichten, bspw. des ersten Substrats 201 und der ersten Spiegelschicht 1 1 , verbunden ist. In der optischen Kavität, d.h. zwischen den Spiegelschichten 11 und 12, sind zwei Detektionszellen 21 und 22 zur Detektion der Resonanzwelle angeordnet. Dabei enthält jede Detektionszelle 21 , 22 eine photoaktive Schicht 210 bzw. 220, an die jeweils auf der einen Seite in Bezug auf die Länge der optischen Kavität eine erste Ladungstransportschicht 21 1 bzw. 221 und jeweils auf der anderen Seite in Bezug auf die Länge der optischen Kavität eine zweite Ladungstransportschicht 212 bzw. 222 angrenzen. Die erste Ladungstransportschicht 211 bzw. 221 ist bspw. ein löcherleitendes Material, während die zweite Ladungstransportschicht 212 bzw. 222 ein elektronenleitendes Material ist. Die photoaktiven Schichten 210, 220 bestehen bspw. aus TPDP:C60 und weisen eine Dicke von 100 nm auf. Dabei sind die photoaktiven Schichten 210, 220 jeweils so innerhalb der optischen Kavität angeordnet, dass jeweils genau ein Intensitätsmaximum (auch Schwingungsbauch genannt) der Resonanzwelle 13 innerhalb einer der photoaktiven Schichten 210, 220 liegt. Da die von dem optoelektronischen Bauelement 100 detektierte Resonanzwelle 13 eine Welle 2. Ordnung ist, wird das optoelektronische Bauelement 100 als Bauelement 2. Ordnung bezeichnet.
Die erste Ladungstransportschicht 211 der ersten Detektionszelle 21 grenzt an die zweite Spiegelschicht 12 und die zweite Ladungstransportschicht 222 der zweiten Detektionszelle 22 grenzt an die erste Spiegelschicht 1 1 an. Darüber hinaus grenzen die zweite Ladungstransportschicht 212 der ersten Detektionszelle 21 und die erste Ladungstransportschicht 221 der zweiten Detektionszelle 22 aneinander. Die in den Detektionszellen 21 und 22 generierten elektrischen Signale werden durch die Spiegelschichten 1 1 und 12, welche elektrisch leitfähig und mit einer Auswerteeinheit elektrisch leitend verbunden sind, weitergeleitet, wobei die Auswerteeinheit geeignet ist, aus den elektrischen Signalen eine qualitative und/oder quantitative Aussage zu der in der einfallenden Strahlung 301 enthaltenen Strahlung der ersten Wellenlänge zu generieren.
Mit Bezug auf die Figuren 1 B und 1 C soll der Begriff der Ordnung in Bezug auf das optoelektronische Bauelement weiter erläutert werden. Auf die Darstellung der Substrate sowie der Strahlungsquelle wird in den meisten der folgenden Figuren verzichtet.
Fig. 1 B zeigt ein optoelektronisches Bauelement 101 einer zweiten Ausführungsform 2 des Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Im Unterschied zu dem optoelektronischen Bauelement 100 der Fig. 1A ist in der optischen Kavität des optoelektronischen Bauelements 101 nur eine Detektionszelle 21 angeordnet, die wie in Bezug auf die Fig. 1A beschrieben ausgebildet ist. Anstelle der zweiten Detektionszelle 22 des optoelektronischen Bauelements 100 der Fig. 1A sind nunmehr eine optisch absorbierende und elektrisch leitende Zwischenschicht 30 und eine optisch transparente Abstandshalterschicht 40 zwischen der Detektionszelle 21 und der ersten Spiegelschicht 1 1 angeordnet. Dabei ist die photoaktive Schicht 210 der Detektionszelle 21 wieder in genau einem Intensitätsmaximum der Resonanzwelle 13, die wieder eine Resonanzwelle 2. Ordnung ist, angeordnet, während die Zwischenschicht 30 im mittleren Knotenpunkt der Resonanzwelle 13 angeordnet ist. Da die Zwischenschicht 30 optisch absorbierend ausgestaltet ist, werden alle weiteren Resonanzwellen, die sich in der optischen Kavität zwischen den
Spiegelschichten 11 und 12 prinzipiell ausbilden würden und deren Schwingungsknoten nicht in der Zwischenschicht 30 liegen, ausgelöscht. So werden vor allem die Resonanzwellen benachbarter Ordnungen, also die Resonanzwellen 1. Ordnung und 3. Ordnung, ausgelöscht.
Im in Fig. 1 B dargestellten Fall ist die Abstandshalterschicht 40 aus einem Material, welches nicht oder nur schlecht elektrisch leitfähig ist, z.B. aus AI2O3. Daher dient die Zwischenschicht 30 auch als Kontaktschicht zur Weiterleitung der in der Detektionszellen 21 generierten elektrischen Signale an eine Auswerteeinheit und ist dazu aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Ag:Ca, und mit einer Dicke von bspw. 6 nm, ausgebildet, wobei die
Zwischenschicht 30 mit der Auswerteeinheit elektrisch leitend verbunden ist. Dazu ist die Zwischenschicht 30 so ausgebildet, dass sie über den seitlichen Rand der anderen Schichten in der optischen Kavität hinaussteht und bspw. über Klemmen oder andere
Verbindungselemente, z.B. Bonddrähte, mit einer elektrischen Leitung zur Auswerteeinheit verbunden werden kann. Ist das Material der Abstandshalterschicht elektrisch leitfähig, kann die Zwischenschicht auch absorbierend und nur wenig elektrisch leitfähig ausgestaltet sein. Darüber hinaus kann auch auf die Zwischenschicht ganz verzichtet werden, wenn der Effekt der Auslöschung anderer Resonanzwellen nicht gewünscht ist Genauso ist es in anderen Ausführungsformen auch möglich, die Zwischenschicht nicht absorbierend, aber elektrisch leitfähig auszugestalten, so dass eine elektrische Verbindung der Detektionszelle 21 zur Auswerteeinheit über die Zwischenschicht möglich ist, jedoch keine Auslöschung von Resonanzwellen erfolgt.
Obwohl das optoelektronische Bauelement 101 nur eine Detektionszelle 21 aufweist, istauch das optoelektronische Bauelement 101 ein Bauelement 2. Ordnung, da es eine Resonanzwelle 2. Ordnung detektiert und auswertet.
In Fig. 1C ist ein optoelektronisches Bauelement 102 einer dritten Ausführungsform 3 des Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung dargestellt. Hier wird eine Resonanzwelle 14 3. Ordnung detektiert, so dass das optoelektronische Bauelement 102 ein Bauelement 3. Ordnung ist. Das optoelektronische Bauelement 102 weist drei Detektionszellen 21 bis 23 auf, die jeweils eine photoaktive Schicht 210, 220 bzw. 230 und zwei Ladungstransportschichten 21 1 und 212 bzw. 221 und 222 bzw. 231 und 232 enthalten und in der optischen Kavität übereinander angeordnet sind. Dabei sind die photoaktiven Schichten 210, 220 und 230 jeweils so in der optischen Kavität angeordnet, dass in jeder der photoaktiven Schichten 210, 220 bzw. 230 genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle 14 liegt. Selbstverständlich könnte das optoelektronische Bauelement 102 auch nur eine oder zwei Detektionszellen aufweisen, wobei es weiterhin ein Bauelement 3. Ordnung ist, solange die jeweiligen photoaktiven Schichten der Detektionszellen jeweils am Ort genau eines Schwingungsmaximums der Resonanzwelle 14 liegen.
Mit Bezug auf die Figuren 2 bis 4B werden weitere Ausführungsformen des optoelektronischen Bauelements des Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben, wobei jeweils beispielhaft Bauelemente 2. Ordnung dargestellt sind. So zeigt Fig. 2 ein optoelektronisches Bauelement 103 einer vierten Ausführungsform 4 des Photodetektors, wobei das optoelektronische Bauelement 103 zwei Detektionszellen 21 und 22 aufweist. Zwischen den Detektionszellen 21 und 22 ist eine optisch absorbierende Zwischenschicht 31 , die jedoch nicht elektrisch leitfähig ist, angeordnet. Jedoch darf die Zwischenschicht 31 den Ladungstransport nicht behindern, wenn die einzelnen Detektionszellen 21 und 22 nicht einzeln elektrisch nach außen kontaktiert sind, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. In diesem Fall ist die Zwischenschicht 31 für mindestens eine Ladungsträgerart, also Elektronen oder Löcher, oder für beide leitfähig. Dies kann durch eine sehr dünne Ausbildung der Zwischenschicht 31 erreicht werden. So kann die Zwischenschicht 31 bspw. aus einer Metallschicht z.B. Ag, oder einer Metallmischschicht, z.B. Ag:Ca, mit einer Dicke im Bereich von 1 nm bis 5 nm, bestehen. Die Zwischenschicht 31 kann auch aus einer sehr dünnen, hochdotierten und im entsprechenden Wellenlängenbereich der Resonanzwelle absorbierenden organischen Schicht bestehen, z.B. BFDPB:NDP9 mit einer Dicke von 1 nm. Alternativ kann die Zwischenschicht 31 auch als strukturierte Schicht vorliegen und Löcher aufweisen, die einen Ladungstransport von einer benachbarten Schicht in eine andere benachbarte Schicht ermöglichen, während die vorhandenen Bereiche der Zwischenschicht 31 zu einer Auslöschung der Resonanzwellen benachbarter Ordnungen führen. Die Zwischenschicht 31 dient der Auslöschung von Resonanzwellen benachbarter Ordnungen (benachbart zur Ordnung der Resonanzwelle 13). Um eine Auslöschung der Resonanzwelle 13 zu vermeiden, ist die Zwischenschicht 31 innerhalb der optischen Kavität an einer Stelle des mittleren Schwingungsknotens der Resonanzwelle 13 angeordnet und nur dünn, bspw. mit einer Dicke im Bereich von 1 nm bis 5 nm, ausgebildet. Die Verbindung zur Auswerteeinheit wird wie beim optoelektronischen Bauelement 100 der Fig. 1A über die elektrisch leitfähigen Spiegelschichten 1 1 und 12 hergestellt, kann in anderen Ausführungsformen aber auch anders realisiert werden.
Für optoelektronische Bauelemente höherer Ordnung, die zur Detektion von Resonanzwellen höherer Ordnung als der 2. Ordnung ausgebildet sind, sind vorzugsweise mehrere optisch absorbierende Zwischenschichten ausgebildet. Diese sind jeweils so angeordnet, dass jeder Schwingungsknoten der Resonanzwelle in genau einer optisch absorbierenden Zwischenschicht liegt.
Fig. 3 zeigt ein optoelektronisches Bauelement 104 einer fünften Ausführungsform 5 des Photodetektors, wobei in der optischen Kavität des optoelektronischen Bauelements 104 zusätzlich zu den Detektionszellen 21 und 22 Abstandshalterschichten 40 und elektrisch leitfähige, optisch transparente Kontaktschichten 50 angeordnet sind. Die Detektionszellen 21 und 22 sind jeweils voneinander und von den benachbarten Spiegelschichten 1 1 bzw. 12 durch die Abstandshalterschichten 40 beabstandet Da die Abstandshalterschichten 40 im vorliegenden Fall nicht oder nur schlecht elektrisch leitfähig sind und damit kein elektrischer Kontakt zu den Detektionszellen 21 und 22 über die Spiegelschichten 11 bzw. 12 möglich ist, werden die von den Detektionszellen 21 und 22 generierten elektrischen Signale über die Kontaktschichten 50 an die Auswerteeinheit weitergeleitet. Dazu sind die Kontaktschichten 50 jeweils an die erste und die zweite Ladungstransportschicht 21 1 und 212 bzw. 221 und 222 angrenzend und zwischen diesen und den Abstandshalterschichten 40 angeordnet und können jeweils mit der Auswerteeinheit elektrisch leitend verbunden werden. Dabei sind die Kontaktschichten 50 flächig ausgebildet, d.h. sie sind jeweils über die gesamte laterale Ausdehnung der Ladungstransportschichten 21 1 , 212, 221 und 222 ausgebildet. Da die Kontaktschichten 50 in Bereichen der optischen Kavität angeordnet sind, in denen die Intensität der Resonanzwelle 13 keinen Knotenpunkt, sondern eine Intensität ungleich 0 (Null) aufweist, müssen die Kontaktschichten 50 aus einem optisch transparenten Material bestehen, um ein Auslöschen der Resonanzwelle 13 zu vermeiden. Die Kontaktschichten 50 können bspw. aus PEDOT:PSS, ITO, ZnO oder anderen leitfähigen Oxiden bestehen und jeweils eine Dicke von bspw. 10 nm bis 40 nm aufweisen. Auch hier stehen die Kontaktschichten 50 seitlich etwas über die anderen Schichten in der optischen Kavität hervor, um eine elektrische Verbindung zur Auswerteeinheit realisieren zu können, wie dies bereits mit Bezug auf die Zwischenschicht 30 in Fig. 1 B erläutert wurde.
Eine weitere Möglichkeit der elektrischen Kontaktierung zur Auswerteeinheit ist mit Bezug auf ein optoelektronisches Bauelement 105 einer sechsten Ausführungsform 6 des Photodetektors in den Figuren 4A und 4B dargestellt. Dabei unterscheidet sich das optoelektronische Bauelement 105 von dem optoelektronischen Bauelement 104 aus Fig. 3 dadurch, dass es keine flächig ausgebildeten Kontaktschichten gibt, sondern die elektrische Verbindung zwischen den Ladungstransportschichten 21 1 , 212, 221 und 222 jeweils über elektrische Außenkontakte 60 erfolgt. Die Außenkontakte 60 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Ag, und grenzen zumindest an einen Teil der äußeren Oberfläche der Ladungstransportschichten 21 1 , 212, 221 und 222 an. Dabei erstreckt sich eine äußere Oberfläche der Ladungstransportschichten 21 1 , 212, 221 und 222 entlang der Länge der optischen Kavität und grenzt nicht an eine andere Schicht des optoelektronischen Bauelements 104, außer die Außenkontakte 60, an. Die Außenkontakte 60 können auch mit einem Teil der Ladungstransportschichten 21 1 , 212, 221 und 222 überlappen, d.h. an eine Oberfläche der Ladungstransportschichten 21 1 , 212, 221 und 222 angrenzen, die sich parallel zu den Spiegelschichten 1 1 , 12 erstreckt, oder können auch in die Ladungstransportschichten 211 , 212, 221 und 222 hineinragen. Jedoch erstrecken sich die Außenkontakte 60 nicht über die gesamte laterale Ausdehnung der Ladungstransportschichten 21 1 , 212, 221 und 222. Durch dieses Hineinziehen der Außenkontakte in die optische Kavität hinein, wird der aktive Bereich des optoelektronischen Bauelements, das heißt der Bereich, in dem stehende Wellen entstehen können, lateral, d.h. in einer Ebene senkrecht zur Länge der optischen Kavität, begrenzt. Darüber hinaus können die äußeren Kontakte auch als optische Aperturmaske dienen. Damit beeinflussen die Außenkontakte 60 kaum die optische Entstehung bzw. Ausbreitung der Resonanzwelle 13. Vorzugsweise umgeben die Außenkontakte 60 die Ladungstransportschichten 21 1 , 212, 221 und 222 entlang des gesamten Umfangs der äußeren Oberfläche im Querschnitt durch das optoelektronische Bauelement, wie dies in Fig. 4B dargestellt ist. Fig. 4B zeigt einen Querschnitt durch das optoelektronische Bauelement 105 der Fig. 4A entlang der Linie A-A‘. Der elektrische Außenkontakt 60 bildet hier einen Rahmen um die erste Ladungstransportschicht 21 1. An die elektrischen Außenkontakte 60 können wieder elektrische Verbindungselemente oder Verbindungsleitungen zur Auswerteeinheit angreifen, wie dies bereits mit Bezug auf Fig. 1 B beschrieben ist.
Selbstverständlich sind auch andere Kombinationen der in den Figuren 1A bis 4B beschriebenen Aufbauten und Schichten des optoelektronischen Bauelements möglich, wobei eine Optimierung verschiedener Schichten hinsichtlich ihrer optischen und/oder elektrischen Eigenschaften und eine Optimierung des optoelektronischen Bauelements hinsichtlich seiner Detektionseigenschaften und/oder seiner Herstellung möglich ist.
Mit Bezug auf die Figuren 5A und 5B werden Ausführungsformen des Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben, wobei der Photodetektor jeweils zwei optoelektronische Bauelemente aufweist, die zur Detektion unterschiedlicher Wellenlängen in der einfallenden Strahlung geeignet sind. Selbstverständlich kann die Anzahl der optoelektronischen Bauelemente beliebig erweitert und beide Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden.
Die Fig. 5A zeigt eine siebte Ausführungsform 7 des Photodetektors mit zwei optoelektronischen Bauelementen 106 und 107, wobei diese lateral nebeneinander angeordnet sind. Das heißt, die optoelektronischen Bauelemente 106 und 107 sind nebeneinander entlang einer Richtung, die senkrecht zu den Längen der optischen Kavitäten der beiden Bauelemente 106 und 107 verläuft, angeordnet. Im dargestellten Fall sind die beiden Bauelemente 106 und 107 auf dem transparenten ersten Substrat 201 nebeneinander angeordnet und von dem zweiten Substrat 202 in Form einer Verkapselung gegenüber der Umwelt abgegrenzt. Das erste optoelektronische Bauelement 106 weist eine erste Spiegelschicht 11 a, eine zweite Spiegelschicht 12a sowie zwei Detektionszellen 21a und 22a auf, wobei die erste optische Kavität, die zwischen den Spiegelschichten 11 a und 12a ausgebildet ist, eine Länge La hat. Das zweite optoelektronische Bauelement 107 weist eine erste Spiegelschicht 11 b, eine zweite Spiegelschicht 12b sowie zwei Detektionszellen 21 b und 22b auf, wobei die zweite optische Kavität, die zwischen den Spiegelschichten 11 b und 12b ausgebildet ist, eine Länge Lb hat. Dabei ist Lb < La im dargestellten Fall. Beide optoelektronische Bauelemente 106 und 107 sind Bauelemente 2. Ordnung, wobei bei gleichen Materialien für die einzelnen Schichten der Bauelemente 106 und 107 das erste optoelektronische Bauelement 106 eine erste Wellenlänge, die mit der ausgebildeten ersten Resonanzwelle 13a korrespondiert, und das zweite optoelektronische Bauelement 107 eine zweite Wellenlänge, die mit der ausgebildeten zweiten Resonanzwelle 13b korrespondiert, detektieren kann, wobei die erste Wellenlänge größer als die zweite Wellenlänge ist. Jedoch können sich die optoelektronischen Bauelemente in anderen Ausführungsformen auch in Bezug auf die Ordnung der jeweiligen Resonanzwelle bei gleicher Länge der optischen Kavität oder in Bezug auf die Ordnung der jeweiligen Resonanzwelle und die Länge der optischen Kavität unterscheiden. Die ersten Spiegelschichten 11a und 11 b sowie die zweiten Spiegelschichten 12a und 12b dienen im dargestellten Fall dem Auslesen der in den optoelektronischen Bauelementen 106 und 107 generierten elektrischen Signale und sind dazu mit einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt) elektrisch leitend verbunden. In anderen Ausführungsformen können die elektrischen Signale auch über die mit Bezug auf die Fig. 1 B und 3 bis 4B dargestellten Zwischen- oder Kontaktschichten oder Außenkontakte an die Auswerteeinheit übermittelt werden, wobei die Detektionszellen elektrisch von einer oder beiden Spiegelschichten des jeweiligen Bauelements isoliert sein können. In diesem Fall können elektrisch von einer benachbarten Detektionszelle isolierte Spiegelschichten unterschiedlicher optoelektronischer Bauelemente auch gemeinsam und miteinander verbunden ausgebildet sein.
Die Fig. 5B zeigt eine achte Ausführungsform 8 des Photodetektors mit zwei optoelektronischen Bauelementen 108 und 109, wobei diese übereinander angeordnet sind. Das heißt, die Längen der ersten optischen Kavität und der zweiten optischen Kavität der optoelektronischen Bauelemente 108 und 109 erstrecken sich entlang einer gemeinsamen Linie, wobei die erste und die zweite optische Kavität durch eine halbtransparente Spiegelschicht miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten: Die optoelektronischen Bauelemente 108 und 109 sind übereinander gestapelt, so dass die einfallende Strahlung eines der beiden optoelektronischen Bauelemente erst erreicht, wenn sie das andere optoelektronische Bauelement durchlaufen hat. Im dargestellten Fall tritt die einfallende Strahlung 301 erst nach Durchlaufen des optoelektronischen Bauelements 108 in das optoelektronische Bauelement 109 ein.
Das erste optoelektronische Bauelement 108 weist eine halbtransparente Spiegelschicht 1 1 , eine halbtransparente Spiegelschicht 11‘ sowie zwei Detektionszellen 21a und 22a auf, wobei die erste optische Kavität, die zwischen den Spiegelschichten 11 und 1 1‘ ausgebildet ist, eine Länge La hat. Das zweite optoelektronische Bauelement 109 weist die halbtransparente Spiegelschicht 1 1‘, eine zweite Spiegelschicht 12 sowie zwei Detektionszellen 21 b und 22b auf, wobei die zweite optische Kavität, die zwischen den Spiegelschichten 1 1‘ und 12 ausgebildet ist, eine Länge Lb hat. Dabei ist im dargestellten Fall Lb < La. Aber auch Lb > La ist möglich. Beide optoelektronische Bauelemente 108 und 109 sind Bauelemente 2. Ordnung, wobei bei gleichen Materialien für die einzelnen Schichten der Bauelemente 108 und 109 das erste optoelektronische Bauelement 108 eine erste Wellenlänge, die mit der ausgebildeten ersten Resonanzwelle 13a korrespondiert, und das zweite optoelektronische Bauelement 109 eine zweite Wellenlänge, die mit der ausgebildeten zweiten Resonanzwelle 13b korrespondiert, detektieren kann, wobei die erste Wellenlänge größer als die zweite Wellenlänge ist. Jedoch können sich die optoelektronischen Bauelemente in anderen Ausführungsformen auch in Bezug auf die Ordnung der jeweiligen Resonanzwelle bei gleicher Länge der optischen Kavität oder in Bezug auf die Ordnung der jeweiligen Resonanzwelleund die Länge der optischen Kavität unterscheiden.
Damit ist es mit der achten Ausführungsform 8 des Photodetektors möglich, platzsparend zwei verschiedene Wellenlängen in der einfallenden Strahlung 301 zu detektieren. Es können auch noch ein oder mehrere weitere optoelektronische Bauelemente übereinandergestapelt werden, so dass auch mehr als zwei verschiedene Wellenlängen mit einem Photodetektor, der nur den lateralen Platz eines optoelektronischen Bauelements benötigt; detektiert werden können.
Darüber hinaus ist mit dieser Ausführungsform die Ausbildung eines Photodetektors, der selektiv auf den Einfallswinkel a der einfallenden Strahlung 301 reagiert, möglich. Dabei würde bspw. das optoelektronische Bauelement 108 unter großen Einfallswinkeln a das Vorhandensein der zur Wellenlänge der ersten Resonanzwelle 13a gehörenden ersten Wellenlänge in der einfallenden Strahlung 301 detektieren, während das optoelektronische Bauelement 109 für kleine Einfallswinkel a das Vorhandensein der ersten Wellenlänge in der einfallenden Strahlung 301 über die Detektion der dazugehörigen zweiten Resonanzwelle 13b detektiert. Dabei korrespondieren die Wellenlänge der ersten und der zweiten Resonanzwelle 13a, 13b mit der ersten Wellenlänge in der einfallenden Strahlung 301 und dem Einfallswinkel a.
Die Spiegelschichten 1 1 , 11‘ und 12 dienen im dargestellten Fall dem Auslesen der in den optoelektronischen Bauelementen 108 und 109 generierten elektrischen Signale und sind dazu mit einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt) elektrisch leitend verbunden. In anderen Ausführungsformen können die elektrischen Signale auch über die mit Bezug auf die Fig. 1 B und 3 bis 4B dargestellten Zwischen- oder Kontaktschichten oder Außenkontakte an die Auswerteeinheit übermittelt werden, wobei die Detektionszellen elektrisch von einer oder beiden Spiegelschichten des jeweiligen Bauelements isoliert sein können.
Selbstverständlich können in einem Photodetektor auch beide mit Bezug auf die Figuren 5A und 5B erläuterten Ausführungsformen gleichzeitig ausgebildet sein, d.h. es können sowohl verschiedene optoelektronische Bauelemente übereinander, als auch nebeneinander angeordnet sein. Darüber hinaus können die optoelektronischen Bauelemente auch jeweils gemäß einer der mit Bezug auf die Figuren 1 B, und 2 bis 4B beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein, d.h. sie können Abstandshalterschichten, optisch absorbierende Zwischenschichten, optisch absorbierende und elektrisch leitende Zwischenschichten, optisch transparente und elektrisch leitende Kontaktschichten und/oder elektrische Außenkontakte aufweisen, wobei verschiedene optoelektronische Bauelemente verschieden ausgeführt sein können.
Figur 6A zeigt eine erste Ausführungsform 9 des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann der Photodetektor auch nur ein optoelektronisches Bauelement 1. Ordnung aufweisen. Dies ist in Fig. 6A das optoelektronische Bauelement 1 10, welches eine habtransparente erste Spiegelschicht 1 1 und eine zweite Spiegelschicht 12 sowie in der zwischen diesen Spiegelschichten 11 , 12 vorhandenen optischen Kavität eine Detektionszelle 2T aufweist. Die Detektionszelle 21‘ weist eine photoaktive Schicht 210, jedoch keine Ladungstransportschichten auf. Dabei ist die photoaktive Schicht 210 in der optischen Kavität so angeordnet, dass ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle 15, welche eine Resonanzwelle 1. Ordnung ist, innerhalb der photoaktiven Schicht 210 liegt. Die photoaktive Schicht 210 ist von den Spiegelschichten 1 1 bzw. 12 jeweils durch Abstandshalterschichten 40, die optisch transparent und elektrisch isolierend sind, beabstandet. Die photoaktive Schicht 210 ist über mindestens zwei elektrische Außenkontakte 60‘, ähnlich den bereits mit Bezug auf die Figuren 4A und 4B erläuterten Außenkontakten 60, mit einer Auswerteeinheit verbindbar, so dass die in der Detektionszelle 21 erzeugten elektrischen Signale ausgelesen werden können. Die Außenkontakte 60‘ bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Ag, und grenzen zumindest an einen Teil der äußeren Oberfläche der photoaktiven Schicht 210 an. Dabei erstreckt sich eine äußere Oberfläche der photoaktiven Schicht 210 entlang der Länge der optischen Kavität und grenzt nicht an eine andere Schicht des optoelektronischen Bauelements 110, außer die Außenkontakte 60‘, an. Die Außenkontakte 60‘ können auch mit einem Teil der photoaktiven Schicht 210 überlappen, d.h. an eine Oberfläche der photoaktiven Schicht 210 angrenzen, die sich parallel zu den Spiegelschichten 1 1 , 12 erstreckt, oder können auch in die photoaktive Schicht 210 hineinragen. Jedoch erstrecken sich die Außenkontakte 60‘ nicht über die gesamte laterale Ausdehnung der photoaktiven Schicht 210, sondern maximal über einen kleinen Teil, maximal 10% der gesamten lateralen Ausdehnung. Vorzugsweise umgeben die Außenkontakte 60‘ die photoaktive Schicht entlang des gesamten Umfangs der äußeren Oberfläche im Querschnitt durch das optoelektronische Bauelement, ähnlich wie dies in Fig. 4B für die Außenkontakte 60 dargestellt ist. Auf jeden Fall ist einer der Außenkontakte 60‘ auf einer ersten Seite der photoaktiven Schicht 210 und ein anderer der Außenkontakte 60‘ auf einer zweiten Seite der photoaktiven Schicht 210 angeordnet, wobei die erste Seite und die zweite Seite entlang der Länge der optischen Kavität voneinander beabstandet sind und einander gegenüberliegen. Dabei liegt die erste Seite der ersten Spiegelschicht 11 näher, während die zweite Seite der zweiten Spiegelschicht 12 näher liegt. Dabei ist die photoaktive Schicht 210 mindestens so dick ausgebildet, dass der Außenkontakt 60‘ auf der ersten Seite der photoaktiven Schicht 210 elektrisch getrennt, d.h. isoliert, von dem Außenkontakt 60‘ auf der zweiten Seite der photoaktiven Schicht 210 ist. Durch die Trennung der optischen und elektrischen Funktionen der einzelnen Schichten voneinander, bspw. der reflektierenden Funktion der Spiegelschichten 11 , 12 von einer elektrischen Leitfähigkeit nach außen, können alle Bestandteile des optoelektronischen Bauelements 1 10 entweder in Bezug auf ihre optischen oder ihre elektrischen Eigenschaften optimiert werden. Durch die Nutzung der Außenkontakte 60‘ werden optische Verluste innerhalb der optischen Kavität weiter reduziert und damit die Güte und Effektivität der Detektion des Photodetektors weiter verbessert.
Figur 6B zeigt eine zweite Ausführungsform 9‘ des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Die zweite Ausführungsform 9‘ ist ähnlich zur ersten Ausführungsform 9 ausgebildet. Jedoch weist die Detektionszelle 21 des optoelektronischen Bauelements 1 10‘ neben einer photoaktiven Schicht 210 auch eine erste Ladungstransportschicht 21 1 und eine zweite Ladungstransportschicht 212 auf, ähnlich wie die bisher beschriebenen Detektionszellen eines Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt Die Ladungstransportschichten 21 1 und 212 sind von den zu ihnen benachbarten Spiegelschichten 1 1 bzw. 12 jeweils durch Abstandshalterschichten 40, die optisch transparent und elektrisch isolierend sind, beabstandet. Die Ladungstransportschichten 21 1 und 212 sind jeweils über elektrische Außenkontakte 60, wie sie bereits mit Bezug auf die Figuren 4A und 4B erläutert wurden, mit einer Auswerteeinheit verbindbar, so dass die in der Detektionszelle 21 erzeugten elektrischen Signale ausgelesen werden können. Die photoaktive Schicht 210 in dieser Ausführungsform kann dünner ausgebildet sein als in der ersten Ausführungsform 9. Auch hier können alle Bestandteile des optoelektronischen Bauelements 1 10‘ entweder in Bezug auf ihre optischen oder ihre elektrischen Eigenschaften optimiert werden. Durch die Nutzung der Außenkontakte 60 werden optische Verluste innerhalb der optischen Kavität weiter reduziert und damit die Güte und Effektivität der Detektion des Photodetektors weiter verbessert. Figur 7 zeigt eine Ausführungsform 10 des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung. Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist der Photodetektor, ähnlich wie die achte Ausführungsform 8 des Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, zwei übereinander angeordnete optoelektronische Bauelemente auf, wobei jedoch beide optoelektronischen Bauelemente Bauelemente 1. Ordnung sein können. Entsprechend weist der Photodetektor 10 in der dargestellten Ausführungsform zwei optoelektronische Bauelemente 1 1 1 und 1 12 auf, die übereinander angeordnet sind, so dass sich die Längen der optischen Kavitäten beider Bauelemente 1 1 1 und 112 entlang einer gemeinsamen Linie erstrecken. Das erste optoelektronische Bauelement 111 weist eine halbtransparente Spiegelschicht 1 1 und eine halbtransparente Spiegelschicht 1 1‘ sowie eine dazwischen angeordnete Detektionszelle 21a auf, wobei die entsprechende photoaktive Schicht der Detektionszelle 21 a im Schwingungsmaximum der Resonanzwelle 15a, die eine Resonanzwelle 1. Ordnung ist, liegt. Die optische Kavität des optoelektronischen Bauelements
1 1 1 hat dabei eine Länge La, die mit einer ersten zu detektierenden Wellenlänge in der einfallenden Strahlung korrespondiert. Das zweite optoelektronische Bauelement 1 12 weist die halbtransparente Spiegelschicht 1 1‘ und eine Spiegelschicht 12 sowie eine dazwischen angeordnete Detektionszelle 21 b auf, wobei die entsprechende photoaktive Schicht der Detektionszelle 21 b im Schwingungsmaximum der Resonanzwelle 15b, die ebenfalls eine Resonanzwelle 1. Ordnung ist, liegt. Die optische Kavität des optoelektronischen Bauelements
1 12 hat dabei eine Länge Lb, die mit einer zweiten zu detektierenden Wellenlänge in der einfallenden Strahlung korrespondiert und im dargestellten Beispiel kleiner als die Länge La ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann aber Lb auch größer als La sein.
Wie mit Bezug auf die Fig. 5B beschrieben, kann auch die Abhängigkeit der Wellenlänge der Resonanzwellen 15a, 15b vom Einfallswinkel der einfallenden Strahlung für eine winkelselektive Detektion bestimmter Wellenlängen in der einfallenden Strahlung genutzt werden.
Die beiden optoelektronischen Bauelemente 111 und 1 12 teilen sich die halbtransparente Spiegelschicht 11‘. In der dargestellten Ausführungsform dienen die Spiegelschichten 1 1 , 1 1‘ und 12 zum Auslesen der in den Detektionszellen 21 a und 21 b generierten elektischen Signale und sind dazu mit einer Auswerteeinheit elektrisch leitend verbindbar. Selbstverständlich können in anderen Ausführungsformen auch andere Möglichkeiten zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zu den Ladungstransportschichten der Detektionszellen, z.B. optisch transparente und elektrisch leitfähige Kontaktschichten oder elektrische Außenkontakte, wie sie oben beschrieben wurden, realisiert werden und/oder die Detektionszellen durch Abstandshalterschichten von benachbarten Spiegelschichten beabstandet sein.
Im Sinne der Erfindung können die Ausführungsformen oder einzelne Merkmale der verschiedenen Aspekte oder Ausführungsformen zur Ausgestaltung des Photodetektors auch miteinander kombiniert werden, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele beschrieben, die sich auf das vorangehend Beschriebene und Dargestellte beziehen.
Beispiel 1 ist ein Photodetektor zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung, mit einem ersten optoelektronischen Bauelement zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, aufweisend: eine erste optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet wird, wobei die Länge der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle i. Ordnung in der ersten optischen Kavität ausbildet, und
mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle, wobei jede Detektionszelle eine photoaktive Schicht enthält, wobei die photoaktive Schicht jeweils so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle innerhalb der photoaktiven Schicht liegt, wobei die Ordnung der Resonanzwelle des ersten optoelektronischen Bauelements größer als 1 ist.
Beispiel 2 ist ein Photodetektor nach Beispiel 1 , wobei mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle des Weiteren eine erste Ladungstransportschicht und eine zweite Ladungstransportschicht enthält, zwischen denen die photoaktive Schicht angeordnet ist, wobei die erste Ladungstransportschicht, die photoaktive Schicht und die zweite Ladungstransportschicht übereinander entlang der Länge der ersten optischen Kavität angeordnet sind.
In Beispiel 3 kann der Photodetektor nach Beispiel 1 oder 2 eine Anzahl der in der ersten optischen Kavität angeordneten Detektionszellen aufweisen, die der Ordnung der Resonanzwelle entspricht.
In Beispiel 4 ist in dem Photodetektor nach einem der Beispiele 1 bis 5 in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch absorbierende Zwischenschicht jeweils so angeordnet, dass ein Schwingungsknoten der Resonanzwelle in der absorbierenden Zwischenschicht liegt. In Beispiel 5 grenzt in dem Photodetektor nach Beispiel 4 mindestens eine der mindestens einen optisch absorbierenden Zwischenschicht direkt an eine der mindestens einen Detektionszelle an, besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material und ist geeignet, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden.
In Beispiel 6 ist in dem Photodetektor gemäß einem der Beispiele 1 bis 4 in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch transparente Kontaktschicht angeordnet, die direkt an eine der mindestens einen Detektionszelle angrenzt, aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und geeignet ist, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden.
In Beispiel 7 weist das erste optoelektronische Bauelement des Photodetektors gemäß einem der Beispiele 1 bis 4 mindestens einen Außenkontakt auf, der an eine äußere Oberfläche einer der mindestens einen Detektionszelle angrenzt, aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und geeignet ist, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden.
In Beispiel 8 ist in dem Photodetektor gemäß einem der Beispiele 1 bis 7 in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch transparente Abstandshalterschicht angeordnet, die zwischen einer der Spiegelschichten und einer zu dieser Spiegelschicht benachbarten Detektionszelle angeordnet ist.
In Beispiel 9 sind in einem Photodetektor nach einem der Beispiele 1 bis 8 mindestens zwei Detektionszellen in der ersten optischen Kavität angeordnet, und eine optisch transparente Abstandshalterschicht ist zwischen zwei in der ersten optischen Kavität entlang der Länge der ersten optischen Kavität übereinander angeordneten Detektionszellen angeordnet.
In Beispiel 10 enthält ein Photodetektor gemäß einem der Beispiele 1 bis 9 ein zweites optoelektronisches Bauelement zur Detektion einer zweiten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, wobei das zweite optoelektronische Bauelement aufweist: eine zweite optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet wird, wobei die Länge der zweiten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die zweite Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle j. Ordnung in der zweiten optischen Kavität ausbildet, und • mindestens eine in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle, wobei jede Detektionszelle eine photoaktive Schicht enthält, wobei die photoaktive Schicht jeweils so innerhalb der zweiten optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle innerhalb der photoaktiven Schicht liegt.
Dabei unterscheidet sich die Länge der ersten optischen Kavität von der Länge der zweiten optischen Kavität und/oder die Ordnung der der zweiten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle von der Ordnung der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle.
In einem Beispiel 11 sind in dem Photodetektor nach Beispiel 10 das erste und das zweite optoelektronische Bauelement entlang einer Richtung senkrecht zur Länge der ersten und der zweiten optischen Kavität nebeneinander angeordnet
In einem Beispiel 12 sind in dem Photodetektor nach Beispiel 10 das erste und das zweite optoelektronische Bauelement (108, 109) übereinander angeordnet, so dass sich die Längen der ersten optischen Kavität und der zweiten optischen Kavität entlang einer gemeinsamen Linie erstrecken, wobei die erste und die zweite optische Kavität durch eine halbtransparente Spiegelschicht miteinander verbunden sind.
Beispiel 13 ist ein Photodetektor zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung, mit einem ersten optoelektronischen Bauelement zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, aufweisend: eine erste optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet wird, wobei die Länge der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle 1. Ordnung in der ersten optischen Kavität ausbildet,
eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle, die eine photoaktive Schicht enthält, wobei die photoaktive Schicht so innerhalb derersten optischen Kavität angeordnet ist, dass das Schwingungsmaximum der Resonanzwelle innerhalb der photoaktiven Schicht liegt, und
mindestens eine optisch transparente Abstandshalterschicht; die in der ersten optischen Kavität zwischen einer der Spiegelschichten und der Detektionszelle angeordnet ist, wobei das erste optoelektronische Bauelement mindestens einen Außenkontakt aufweist, der an eine äußere Oberfläche der Detektionszelle angrenzt, aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und geeignet ist, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden.
In einem Beispiel 14 enthält die in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle des Photodetektors nach Beispiel 13 des Weiteren eine erste Ladungstransportschicht und eine zweite Ladungstransportschicht, zwischen denen die photoaktive Schicht angeordnet ist, wobei die erste Ladungstransportschicht, die photoaktive Schicht und die zweite Ladungstransportschicht übereinander entlang der Länge der ersten optischen Kavität angeordnet sind.
In einem Beispiel 15 sind in dem Photodetektor gemäß einem der Beispiele 13 oder 14 in der ersten optischen Kavität zwei optisch transparente Abstandshalterschichten angeordnet, von denen eine erste Abstandshalterschicht zwischen einer ersten der Spiegelschichten und der Detektionszelle angeordnet ist und von denen eine zweite Abstandshalterschicht zwischen einer zweiten der Spiegelschichten und der Detektionszelle angeordnet ist. Außerdem weist das erste optoelektronische Bauelement des Photodetektors nach Beispiel 15 mindestens zwei Außenkontakte auf, wobei jeweils ein Außenkontakt an die äußere Oberfläche der Detektionszelle auf einer ersten Seite und an die äußere Oberfläche der Detektionszelle auf einer zweiten Seite angrenzt, wobei sich die erste Seite und die zweite Seite der Detektionszelle entlang der Länge der ersten optischen Kavität gegenüberliegen.
Beispiel 16 ist ein Photodetektor zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung, mit einem ersten optoelektronischen Bauelement zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, aufweisend:
• eine erste optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet wird, wobei die Länge der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle i. Ordnung in der ersten optischen Kavität ausbildet, und
• mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle, wobei jede Detektionszelle eine photoaktive Schicht enthält, wobei die photoaktive Schicht jeweils so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle innerhalb der photoaktiven Schicht liegt, und einem zweiten optoelektronischen Bauelement zur Detektion einer zweiten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, aufweisend:
• eine zweite optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet wird, wobei die Länge der zweiten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die zweite Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle j. Ordnung in der zweiten optischen Kavität ausbildet, und
• mindestens eine in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle, wobei jede Detektionszelle eine photoaktive Schicht enthält, wobei die photoaktive Schicht jeweils so innerhalb der zweiten optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle innerhalb der photoaktiven Schicht liegt,
wobei sich die Länge der zweiten optischen Kavität von der Länge der ersten optischen Kavität und/oder die Ordnung der der zweiten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle von der Ordnung der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle unterscheidet und das erste und das zweite optoelektronische Bauelement übereinander angeordnet sind, so dass sich die Längen der ersten und der zweiten optischen Kavität entlang einer gemeinsamen Linie erstrecken, wobei die erste und die zweite optische Kavität durch eine halbtransparente Spiegelschicht, die jeweils eine der Spiegelschichten der ersten optischen Kavität und der zweiten optischen Kavität ist, miteinander verbunden sind.
In Beispiel 17 sind enthält mindestens eine in der ersten optischen Kavität oder in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle des Photodetektors nach Beispiel 16 des Weiteren eine erste Ladungstransportschicht und eine zweite Ladungstransportschicht, zwischen denen die photoaktive Schicht angeordnet ist, wobei die erste Ladungstransportschicht, die photoaktive Schicht und die zweite Ladungstransportschicht übereinander entlang der Länge der ersten optischen Kavität oder der zweiten optischen Kavität angeordnet sind.
In Beispiel 18 entspricht die Anzahl der in der ersten optischen Kavität und/oder in der zweiten optischen Kavität angeordneten Detektionszellen des Photodetektors nach Beispiel 16 oder 17 der Ordnung der jeweiligen Resonanzwelle. Bezugszeichen
1-8 Photodetektor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung
9, 9‘ Photodetektor gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung
10 Photodetektor gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung
100-1 12, 1 10‘ Optoelektronisches Bauelement
11 , 11a, 11 b Erste Spiegelschicht
1 r Halbtransparente Spiegelschicht
12, 12a, 12b Zweite Spiegelschicht
13, 13a, 13b Resonanzwelle 2. Ordnung
14 Resonanzwelle 3. Ordnung
15, 15a, 15b Resonanzwelle 1. Ordnung
21 , 21a, 21 b, 21‘, Detektionszelle
22, 22a, 22b, 23
210, 220, 230 Photoaktive Schicht
211 , 221 , 231 Erste Ladungstransportschicht
212, 222, 232 Zweite Ladungstransportschicht
30 Optisch absorbierende, elektrisch leitende Zwischenschicht
31 Optisch absorbierende Zwischenschicht
40 Abstandshalterschicht
50 Optisch transparente, elektrisch leitende Kontaktschicht
60, 60‘ Elektrischer Außenkontakt
201 Erstes Substrat
202 Zweites Substrat
300 Strahlungsquelle
301 Einfallende Strahlung
L Länge der optischen Kavität
La Länge der ersten optischen Kavität
Lb Länge der zweiten optischen Kavität
a Einfallswinkel der einfallenden Strahlung

Claims

Patentansprüche
1. Photodetektor (1-8) zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung, mit einem ersten optoelektronischen Bauelement (100-106, 108) zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung aufweisend:
eine erste optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten (11 , 11a, 11‘, 12, 12a) gebildet wird, wobei die Länge (L, La) der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle i. Ordnung (13, 13a) in der ersten optischen Kavität ausbildet, und
mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21 , 21a, 22, 22a, 23), wobei jede Detektionszelle (21 , 21a, 22, 22a, 23) eine photoaktive Schicht (210, 220, 230) enthält, wobei die photoaktive Schicht (210, 220, 230) jeweils so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle (13, 13a) innerhalb der photoaktiven Schicht (210, 220, 230) liegt,
wobei die Ordnung der Resonanzwelle (13, 13a) des ersten optoelektronischen Bauelements (100-106, 108) größer als 1 ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch absorbierende Zwischenschicht (30, 31) jeweils so angeordnet ist, dass ein Schwingungsknoten der Resonanzwelle (13) in der absorbierenden Zwischenschicht (30, 31) liegt, wobei die absorbierende Zwischenschicht (30, 31) geeignet ist, so viel Energie einer spezifischen elektromagnetischen Welle innerhalb der ersten optischen Kavität zu absorbieren, dass diese ausgelöscht wird, wobei die spezifische elektromagnetische Welle eine von der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwellenlänge verschiedene Wellenlänge aufweist, und/oder
in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch transparente Kontaktschicht (50) angeordnet ist, die direkt an eine der mindestens einen Detektionszelle (21 , 22) angrenzt, aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und geeignet ist, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements (104) erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden.
2. Photodetektor (1-8) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21 , 21a, 22, 22a, 23) weiterhin eine erste Ladungstransportschicht (211 , 221 , 231) und eine zweite
Ladungstransportschicht (212, 222, 232) enthält, zwischen denen die photoaktive Schicht (210, 220, 230) angeordnet ist, wobei die erste Ladungstransportschicht (211 , 221 , 231), die photoaktive Schicht (210, 220, 230) und die zweite Ladungstransportschicht (212, 222, 232) übereinander entlang der Länge der ersten optischen Kavität angeordnet sind.
3. Photodetektor (1 , 3-8) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der in der ersten optischen Kavität angeordneten Detektionszellen (21 , 21a, 22, 22a, 23) der Ordnung der Resonanzwelle (13, 13a) entspricht.
4. Photodetektor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine optisch absorbierende Zwischenschicht (30) in der ersten optischen Kavität angeordnet ist und mindestens eine der mindestens einen optisch absorbierenden Zwischenschicht (30) direkt an eine der mindestens einen Detektionszelle (21) angrenzt, aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und geeignet ist, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle (21) des ersten optoelektronischen Bauelements (101) erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden.
5. Photodetektor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optoelektronische Bauelement (105) mindestens einen Außenkontakt (60) aufweist, der an eine äußere Oberfläche einer der mindestens einen Detektionszelle (21 , 22) angrenzt, aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und geeignet ist, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements (105) erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden.
6. Photodetektor (2, 5, 6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch transparente Abstandshalterschicht (40) angeordnet ist, die zwischen einer der Spiegelschichten (11 , 11a, 11‘, 12, 12a) und einer zu dieser Spiegelschicht (11 , 11a, 11‘, 12, 12a) benachbarten Detektionszelle (21 , 22) angeordnet ist.
7. Photodetektor (5, 6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Detektionszellen (21 , 22) in der ersten optischen Kavität angeordnet sind und eine optisch transparente Abstandshalterschicht (40) zwischen zwei, in der ersten optischen Kavität entlang der Länge der ersten optischen Kavität übereinander angeordneten Detektionszellen (21 , 22) angeordnet ist.
8. Photodetektor (7, 8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Photodetektor (7, 8) ein zweites optoelektronisches Bauelement (107, 109) zur Detektion einer zweiten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung enthält, wobei das zweite optoelektronische Bauelement (107, 109) aufweist:
• eine zweite optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten (11 b, 12b, 11‘, 12) gebildet wird, wobei die Länge der zweiten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die zweite Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle j. Ordnung (13b) in der zweiten optischen Kavität ausbildet, und
• mindestens eine in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21 b, 22b), wobei jede Detektionszelle (21b, 22b) eine photoaktive Schicht (210, 220) enthält, wobei die photoaktive Schicht (210, 220) jeweils so innerhalb der zweiten optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle (13b) innerhalb der photoaktiven Schicht (210, 220) liegt, und sich die Länge (La) der ersten optischen Kavität von der Länge (Lb) der zweiten optischen Kavität und/oder die Ordnung der der zweiten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle (13b) von der Ordnung der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle (13a) unterscheidet.
9. Photodetektor (7) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite optoelektronische Bauelement (106, 107) entlang einer Richtung senkrecht zur Länge (La, Lb) der ersten und der zweiten optischen Kavität nebeneinander angeordnet sind.
10. Photodetektor (8) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite optoelektronische Bauelement (108, 109) übereinander angeordnet sind, so dass sich die Längen (La, Lb) der ersten optischen Kavität und der zweiten optischen Kavität entlang einer gemeinsamen Linie erstrecken, wobei die erste und die zweite optische Kavität durch eine halbtransparente Spiegelschicht (11‘) miteinander verbunden sind.
11. Photodetektor (9, 9‘) zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung, mit einem ersten optoelektronischen Bauelement (110, 110‘) zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung aufweisend:
eine erste optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten (11 , 12) gebildet wird, wobei die Länge der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle i. Ordnung (15) in der ersten optischen Kavität ausbildet, wobei die Ordnung der Resonanzwelle größer oder gleich 1 ist,
eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21 , 21‘), die eine photoaktive Schicht (210) enthält, wobei die photoaktive Schicht (210) so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet ist, dass das Schwingungsmaximum der Resonanzwelle (15) innerhalb der photoaktiven Schicht (210) liegt, und
mindestens eine optisch transparente Abstandshalterschicht (40), die in der ersten optischen Kavität zwischen einer der Spiegelschichten (11 , 12) und der Detektionszelle (21 , 21‘) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste optoelektronische Bauelement (110, 110‘) mindestens einen Außenkontakt (60, 60‘) aufweist, der an eine äußere Oberfläche der Detektionszelle (21 , 21‘) angrenzt, aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und geeignet ist, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der Detektionszelle (21 , 21‘) des ersten optoelektronischen Bauelements (110, 110‘) erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden.
12. Photodetektor (9‘) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21) weiterhin eine erste Ladungstransportschicht (211) und eine zweite Ladungstransportschicht (212) enthält, zwischen denen die photoaktive Schicht (210) angeordnet ist, wobei die erste Ladungstransportschicht (211), die photoaktive Schicht (210) und die zweite Ladungstransportschicht (212) übereinander entlang der Länge der ersten optischen Kavität angeordnet sind.
13. Photodetektor (9, 9‘) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
in der ersten optischen Kavität zwei optisch transparente Abstandshalterschichten (40) angeordnet sind, von denen eine erste Abstandshalterschicht (40) zwischen einer ersten der Spiegelschichten (11 , 12) und der Detektionszelle (21 , 21‘) angeordnet ist und von denen eine zweite Abstandshalterschicht (40) zwischen einer zweiten der Spiegelschichten (11 , 12) und der Detektionszelle (21 , 21‘) angeordnet ist, und das erste optoelektronische Bauelement (110, 110‘) mindestens zwei Außenkontakte (60, 60‘) aufweist, wobei jeweils ein Außenkontakt (60, 60‘) an die äußere Oberfläche der Detektionszelle (21 , 21‘) auf einer ersten Seite und an die äußere Oberfläche der Detektionszelle (21 , 21‘) auf einer zweiten Seite angrenzt, wobei sich die erste Seite und die zweite Seite der Detektionszelle (21 , 21‘) entlang der Länge der ersten optischen Kavität gegenüberliegen.
14. Photodetektor (10) zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung, mit:
einem ersten optoelektronischen Bauelement (111) zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung aufweisend:
• eine erste optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten (11 , 11‘) gebildet wird, wobei die Länge (La) der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle i. Ordnung (15a) in der ersten optischen Kavität ausbildet, und
• mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21a), wobei jede Detektionszelle (21a) eine photoaktive Schicht (210) enthält, wobei die photoaktive Schicht (210) jeweils so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle (15a) innerhalb der photoaktiven Schicht (210) liegt,
und
einem zweiten optoelektronischen Bauelement (112) zur Detektion einer zweiten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung aufweisend:
• eine zweite optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten (11‘, 12) gebildet wird, wobei die Länge (Lb) der zweiten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die zweite Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle j. Ordnung (15b) in der zweiten optischen Kavität ausbildet, und
• mindestens eine in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21b), wobei jede Detektionszelle (21b) eine photoaktive Schicht (210) enthält, wobei die photoaktive Schicht (210) jeweils so innerhalb der zweiten optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle (15b) innerhalb der photoaktiven Schicht (210) liegt,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Länge (Lb) der zweiten optischen Kavität von der Länge (La) der ersten optischen Kavität und/oder die Ordnung der der zweiten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle (15b) von der Ordnung der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle (15a) unterscheidet und
das erste und das zweite optoelektronische Bauelement (111 , 112) übereinander angeordnet sind, so dass sich die Längen (La, Lb) der ersten und der zweiten optischen Kavität entlang einer gemeinsamen Linie erstrecken, wobei die erste und die zweite optische Kavität durch eine halbtransparente Spiegelschicht (11‘), die jeweils eine der Spiegelschichten der ersten optischen Kavität und der zweiten optischen Kavität ist, miteinander verbunden sind.
15. Photodetektor (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine in der ersten optischen Kavität oder in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21a, 21 b) weiterhin eine erste Ladungstransportschicht (211) und eine zweite Ladungstransportschicht (212) enthält, zwischen denen die photoaktive Schicht (210) angeordnet ist, wobei die erste Ladungstransportschicht (211), die photoaktive Schicht (210) und die zweite Ladungstransportschicht (212) übereinander entlang der Länge (La, Lb) der ersten optischen Kavität oder der zweiten optischen Kavität angeordnet sind.
16. Photodetektor (10) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der in der ersten optischen Kavität und/oder in der zweiten optischen Kavität angeordneten Detektionszellen (21a, 21b) der Ordnung der jeweiligen Resonanzwelle (15a, 15b) entspricht.
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