TW202339297A - 光電裝置 - Google Patents

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馬丁 黑佐
迪爾克 貝克爾
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Abstract

詳細說明一種光電裝置，該裝置包含： 一發射器(1)，其構造成發射具有兩個以上的峰值波長(21、22、23)的電磁輻射(2)且以一輸入電壓(UI)操作， 一接收器(3)，其構造成接收該電磁輻射(2)且提供一輸出電壓(UO)。

Description

光電裝置
此處詳細說明一種光電裝置。
無。
待解決的問題係為詳細說明一種可以設計得特別緊湊的光電裝置。
根據至少一個態樣，該光電裝置包含發射器。發射器係構造成發射電磁輻射。例如，發射器可以是產生在紅外線輻射及紫外線輻射之間的波長範圍內的電磁輻射的裝置。
尤其，發射器可以構造成在操作期間產生從至少350nm到至多1600nm的波長範圍內的電磁輻射。另外，發射器適於以輸入電壓操作。在光電裝置包含兩個以上的發射器之情況下，發射器係彼此並聯地連接。發射器或多個發射器係構造成以輸入電壓操作。
根據光電裝置的至少一個態樣，該發射器係構造成發射具有兩個以上的峰值波長的電磁輻射。峰值波長係為電磁輻射的輻射發射光譜中具有最大值的波長。如果電磁輻射具有兩個以上的峰值波長，則輻射發射光譜具有兩個以上的局部最大值，其中每個最大值對應於峰值波長中之一者。為此，發射器例如具有兩個以上的活性區域，其中每個活性區域係構造成發射部分電磁輻射，其中每個峰值波長係指派給發射器的單個活性區。
以此方式，每個活性區係構造成發射具有峰值波長中之一者的電磁輻射。由發射器所發射的電磁輻射係為由活性區所發射的輻射的組合。
根據光電裝置的至少一個態樣，該光電裝置包含接收器。
該接收器係構造成接收發射器的電磁輻射且提供光電裝置的輸出電壓的至少一部分。尤其，接收器係構造成接收在操作期間由發射器所發射的電磁輻射且將其至少部分地轉換成電能。尤其，接收器可以調諧到發射器，使得接收器對發射器所產生的電磁輻射具有特別高的吸收。
根據光電裝置的至少一個態樣，該光電裝置包含： 一發射器，其構造成發射具有兩個以上的峰值波長的電磁輻射且構造成以一輸入電壓操作，及 一接收器，其構造成接收該電磁輻射且構造成提供一輸出電壓。
除了別的以外，此處所敘述的光電裝置基於以下考慮。
許多應用，例如聲學、光束轉向技術、例如MEMS、致動器、偵測器、例如雪崩光二極體、單光子雪崩二極體或光電倍增管，需要具有相對低功耗的高壓電源。此種應用可能需要超過50V、100V、500V、1000V、2000V、10000V及更多的電壓，同時在尺寸、重量、成本及功耗方面保持較小的裝置佔用空間。這些特性對於諸如AR/VR眼鏡、可穿戴入耳式耳機及汽車應用的移動裝置是特別重要的。
對於具有較小佔用空間的高壓發電機，另一個待解決的問題係為低電壓及高電壓路徑的連接，它們應該是電氣分離的，以確保裝置在諸如溫度、濕度、灰塵的不斷變化的環境條件下的功能可靠性及長期穩定性。
可以有利地使用此處敘述的光電裝置作為光電壓轉換器。另外，利用此處敘述的光電裝置，將發射器的側邊上的高電壓轉換為接收器的側邊上的低電壓，也是可行的。此外，利用本裝置，將交流電壓轉換為直流電壓且反之亦然，是可行的。最後，本裝置在不改變電壓之情況下將電氣隔離的功率從發射器的側邊傳輸到接收器的側邊，也是可行的。
因此，此處敘述的光電裝置可以形成例如變壓器，該變壓器可以沒有電感元件，尤其是沒有線圈。在一方面，此使得安裝空間與習知變壓器相比特別小，且另一方面，在變壓之期間不產生磁場或僅產生很小的磁場。此也排除來自外部磁場及/或電場的任何影響。因此，光電裝置可以使用於對磁場干擾至關重要或受到高外部磁場影響的區域中。同時，光電裝置中的光功率傳輸係確保與高電壓側及低電壓側的電氣隔離。
此處敘述的裝置的另一個想法係為結合半導體光發射器及接收器，亦即包含光二極體或光伏電池，以實現從低電壓到高電壓的轉換。為此目的，在裝置的低電壓側上，並聯地連接的一個以上的發射器發射光。發射光的波長可以在350nm及1600nm之間，其依據所使用的半導體材料而定，例如：In(Ga)N、In(Ga)AlP、(Al)GaAs及(In)GaAs。典型的輸入電壓為1V、3V、5V、8V、10V或介於兩者之間。
在高電壓側上，其與低壓側電氣地隔離，串聯地連接的接收器收集發射的光，接收器係例如在光伏模式下操作的光二極體。依據所使用的材料而定，例如矽、InGaAs、GaAs、InGaN或鈣鈦礦(perovskite)，光二極體產生0.5～3V等級的電壓及依據入射光之強度而定的電流。藉由使用大量光二極體，所有的光二極體可以在非常小的晶圓級上串聯地連接，這些個別的電壓加起來可以超過10、50、100、500、1000、10000V的高總電壓。
總的來說，本裝置能夠在特別緊湊的組件中傳輸能量及/或轉換電壓。藉此，光電裝置對諸如溫度波動或電磁場的外部影響不敏感。
以下藉由例示性實施例及相關附圖更詳細地說明此處敘述的光電裝置。
根據光電裝置的至少一個態樣，該等活性區係彼此單體地整合。也就是說，發射器例如包含外延生長的半導體本體。半導體本體包含活性區，例如作為層序列或其他結構，如奈米棒或奈米線。例如，在相同的生長過程之期間，活性區一起生長，且因此彼此單體地整合。
根據該光電裝置的至少一個態樣，該等峰值波長藉由量子井互相混合來設定。也就是說，例如在發射器及發射器的活性區生長之後，使用量子井互相混合來獲得不同的帶隙，且因此在不同的活性區中獲得不同的峰值波長。可以例如藉由擴散、佈植或由另一層施加應變來完成互相混合，例如，藉由介電層或金屬層。
藉此，不同的層組成，例如介電層，產生不同位準的應變，且因此在活性區中產生不同的波長。
藉由量子井互相混合來設定峰值波長的優點在於生產包括簡單的外延過程，但在相同晶圓上產生數個峰值波長。另外，發射器本身不會吸收數個峰值波長，且因此提高發射效率。數個峰值波長也會導致在接收器側上更高的電流及更高的電壓。
根據光電裝置的至少一個態樣，該等活性區係配置成在一側向方向上彼此間隔開。側向方向係為例如平行於發射器的主延伸平面延伸的方向。例如，活性區沿著側向方向一個接一個地配置。另外，活性區係配置在共用平面中的規則晶格的節點處是可行的。在此情況下，活性區係配置成在兩個側向方向上彼此間隔開配置。
根據光電裝置的至少一個態樣，每個活性區包含奈米線或奈米棒。也就是說，發射具有單個峰值波長的發射器的部分電磁輻射的活性區係包含奈米線或奈米棒。
例如，奈米線或奈米棒可以在共用生長表面上彼此側向間隔開地生長。以此方式，許多活性區，例如1000個或更多個活性區，可以結合到一個發射器中。
根據光電裝置的此態樣，成組的活性區可以發射具有相同峰值波長的電磁輻射，使得光電裝置例如發射具有兩個、三個或更多個峰值波長的電磁輻射，其中峰值波長的數量低於活性區的數量。
根據光電裝置的至少一個態樣，該發射器係為一邊緣發射裝置，其構造成在一側向方向上發射該電磁輻射，且該接收器係構造成接收來自該側向方向的該電磁輻射。側向方向係與上述側向方向在相同平面中。
在本文中，邊緣發射裝置係理解為輻射發射組件，其發射在操作期間與裝置的側表面或刻面橫向地、尤其是與裝置的側表面或刻面垂直地所產生的電磁輻射。電磁輻射接著例如經由側表面或刻面發射。
尤其，邊緣發射裝置可以是包含外延生長的半導體本體的半導體裝置。尤其，在操作期間接著發射電磁輻射的方向可以傾斜於或垂直於半導體本體的生長方向。例如，半導體本體可以基於諸如In(Ga)N、In(Ga)AlP、(Al)GaAs、(In)GaAs的半導體材料。
邊緣發射裝置可以是例如發光二極體或雷射二極體。
藉此，發射器從兩個側邊發射電磁輻射也是可行的，例如經由在邊緣發射裝置中彼此相對配置的兩個刻面或側表面。
根據光電裝置的至少一個態樣，該發射器包含一邊緣發射裝置且其構造成從兩個相對側邊發射該電磁輻射且從每個側邊照射該接收器的另一部分。在此情況下，接收器至少分成兩個部分。兩個部分可以彼此電連接且例如彼此串聯地連接。在發射器的不同側邊上，每個部分係配置在發射方向的下游。藉由此，在光電裝置的輸出側更高的電流及更高的電壓是可行的。
根據光電裝置的至少一個態樣，該發射器包含兩個以上的轉換器，且每個轉換器係構造成發射具有不同峰值波長的電磁輻射。根據此態樣，由發射器所發射的電磁輻射的不同峰值波長歸因於轉換器。
這些轉換器可以是例如量子點轉換器、陶瓷轉換器或尤其是奈米線或奈米棒。在轉換器係為奈米線或奈米棒之情況下，這些奈米線或奈米棒可以例如接合或外延地生長到發射器的發射表面上。在每個情況下，發射器包含產生初級輻射的活性區，且轉換器將大部分或所有的初級輻射轉換成次級輻射。藉此，不同類型的轉換器轉換為具有不同峰值波長的次級輻射。
根據光電裝置的至少一個態樣，該接收器包含複數個光二極體。也就是說，接收器例如是可以在側向方向上彼此間隔開配置的光二極體陣列。
在接收器包含兩個以上的部分之情況下，接收器的每個部分可以形成為使得它包含複數個光二極體。例如，接收器的一部分係以相同的方式形成，且接收器的每個部分包含相同數量及相同種類的光二極體。
根據此態樣，將不同的光二極體調諧到由發射器所發射的電磁輻射的不同峰值波長是可行的。也就是說，電磁輻射的吸收在各自的峰值波長處比在其他波長處更高。接收器包含不同類型的光二極體，其中每個光二極體的吸收對於峰值波長中之一者是最高的。
根據光電裝置的至少一個態樣，所有的光二極體係彼此串聯地連接。也就是說，接收器的所有光二極體或接收器的一部分的所有光二極體係彼此串聯地連接。以此方式，可以實現特別高的輸出電壓。
根據光電裝置的至少一個態樣，每個光二極體包含兩個以上的活性區域，其中每個活性區域被調諧到該等峰值波長中之一者。每個光二極體的活性區區域係為電磁輻射被吸收且轉化為電能的偵測區域。
每個光二極體包含兩個以上的活性區域是可行的，例如，該等活性區域在該電磁輻射穿過該光二極體的方向上一個接一個地配置。至少一些或每個光二極體的至少一些或所有活性區域係彼此串聯地電連接。當此種光二極體利用電磁輻射照射時，在光二極體的第一活性區中，電磁輻射首先撞擊在其上，具有較小峰值波長的電磁輻射被吸收。在隨後的活性區域或多個活性區域中，另外的更高峰值波長的電磁輻射被吸收。藉此，至少一些或每個光二極體的活性區域藉由一穿隧接面或藉由諸如氧化銦錫(ITO)的一透明導電氧化物(TCO)彼此串聯地電連接。
以此方式，由發射器所發射的電磁輻射可以被光二極體有效地吸收且轉化為電能。
根據光電裝置的至少一個態樣，該裝置的輸入電壓低於該裝置的輸出電壓。例如，輸入電壓在1V到5V的範圍內，且輸出電壓在500V、1000V或更高的範圍內。
以下藉由例示性實施例及相關附圖更詳細地說明此處敘述的光電裝置。
關於圖1、2、3A、3B、3C、4A、4B、5A、5B的示意圖，更詳細地說明此處敘述的光電裝置的實施例。
在這些例示性實施例及附圖中，相似或類似作用的組成部分係提供有相同的元件符號。附圖中所示的元件及其彼此之間的尺寸關係不應被視為真實比例。相反地，為了更佳的可表示性及/或為了更佳的理解，可以用誇大的尺寸來表示個別元件。
圖1以示意性頂視圖之方式來顯示此處敘述的光電裝置的實施例。光電裝置包含發射器1。發射器1係構造成發射具有兩個峰值波長21、22的電磁輻射2。
發射器1包含活性區13a、13b。發射器的每個活性區13a、13b係構造成發射具有峰值波長21、22中之一者的電磁輻射。例如，第一活性區13a發射具有峰值波長21的電磁輻射且發射器的第二活性區13b發射具有峰值波長22的電磁輻射。例如，由第二活性區13b發射的峰值波長22係低於由發射器1的第一活性區13a發射的峰值波長21。發射器1可以包含：發射具有另外峰值波長的電磁輻射的另外活性區。
發射器1以輸入電壓UI操作。
該裝置更包含接收器3。接收器3適於接收電磁輻射且提供輸出電壓UO。
發射器3包含複數個彼此串聯地連接的光二極體30。接收器3的每個光二極體30包含兩個活性區域31、32。光二極體30可以設計成具有不同的活性區域，使得光的吸收在所有光二極體中大致相等。
例如，活性區域的面積從接收器3的中心朝向邊緣增加。以此方式，在接收器3的邊緣處的光二極體30具有比靠近接收器3的中心的光二極體30更大的活性區域。此使得每個光二極體的電流大致相等，即使距發射器的距離及入射光的角度對於不同光二極體是不同的。此改善整個裝置的效率。
第一活性區域31被調諧以吸收具有峰值波長22的電磁輻射2，其具有比具有峰值波長21的電磁輻射2更高的能量。每個光二極體30的第二活性區域32被調諧以吸收具有較低能量峰值波長21的電磁輻射2。
每個光二極體30的活性區域31、32係彼此串聯地連接，且所有光二極體30係彼此串聯地連接。
因此，結合圖1說明的光電裝置具有多波長發射器1，其照射多接面光二極體陣列，該陣列在每個光二極體30中產生更高的電壓及更高的電流，與單接面光二極體的情況一樣。
結合圖2的示意性截面圖，更詳細地敘述此處敘述的光電裝置的另一個實施例。除了關於圖1敘述的實施例之外，根據此實施例，發射器從兩個相對側邊1a、1b發射電磁輻射2。
在每個側邊上，接收器3的部分3a、3b係配置在發射器1的發射方向的下游。為此，發射器1從兩個側邊1a、1b發射電磁輻射2。
接收器3的部分3a、3b各自包含複數個多接面光二極體30。接收器3的兩個部分3a、3b的所有光二極體30係彼此串聯地連接。藉由此，比圖1中的實施例甚至更高的輸出電壓U0及更高的電流是可行的。
結合圖3A及3B的示意圖，更詳細地敘述此處敘述的光電裝置的另一個實施例。
圖3A係顯示實施例的示意性截面圖，圖3B係顯示此實施例的發射器1的示意性頂視圖。
在此實施例中，發射器1包含活性區13a、13b、13c，該等活性區13a、13b、13c係配置成在側向方向L上彼此間隔開。每個活性區13a、13b、13c包含表面發射裝置，如例如VCSEL、LED、SLED(超級發光LED)或其他表面發射裝置。
活性區13a、13b、13c係配置在一區域中，例如在規則晶格的節點處。
活性區13a、13b、13c係構造成發射具有峰值波長21、22、23中之一者的電磁輻射。
接收器3包含複數個光二極體30，其中每個光二極體30包含相應地吸收電磁輻射的活性區域31、32、33。每個活性區域被調諧到電磁輻射2的峰值波長中之一者。
圖3C的曲線圖係顯示此種發射器1的發射光譜及電磁輻射2的峰值波長21、22、23。
如圖1至圖3的實施例中所示的發射器1的活性區可以彼此單體地整合，例如藉由在共用晶圓中生長活性區。活性區的峰值波長可以藉由量子井互相混合來設定。為此，在活性區生長之後，使用量子井互相混合來獲得不同的帶隙，且因此獲得彼此側向地間隔開的活性區的峰值波長。
結合圖4A及4B，係關於敘述此處敘述的光電裝置的另一個實施例的示意圖。
圖4A係顯示實施例的示意性側視圖。圖4B係顯示實施例的發射器1的示意性頂視圖。
在此實施例中，活性奈米線或奈米棒，例如核殼奈米棒，係使用於形成發射器1的活性區13a、13b。每個奈米線或奈米棒係作用成活性區，其中例如每個活性區的峰值波長係由活性區中的量子井的厚度及/或摻入例如銦來設定。這些又依據該核的直徑而定。
不同導線的直徑可以不同，例如，藉由在用於定義外延生長區域的介電遮罩中的不同尺寸的開口。此允許活性區的單體生長，其中在相同的生長過程中建立不同的峰值波長。
同樣，接收器3係配置在發射方向的下游。例如，接收器3具有複數個光二極體30，每個光二極體30包含調諧到電磁輻射2的峰值波長21、22的活性區域31、32。
如圖4B所示，奈米線或奈米棒可以配置在規則晶格的節點處。
結合圖5A及圖5B的示意圖，更詳細地敘述此處敘述的光電裝置的另一個實施例。
圖5A係顯示實施例的示意性截面圖。圖5B係顯示實施例的發射器1的示意性頂視圖。
在此實施例中，發射器1具有產生初級輻射的活性區13，初級輻射係由轉換器14a至14c轉換成具有峰值波長21、22、23的電磁輻射2。
例如，轉換器係由鈍性奈米線形成。然而，陶瓷或量子點轉換器也是可行的。
經由轉換器14a、14b、14c的光泵浦及激發，產生電磁輻射2。因此，發射器1包含LED、VCSEL或另一裝置，作為主要光源。轉換器具有例如核殼組合物且包含諸如GaAs、GaN/AlGaAs、AlGaN的材料。奈米線的材料之間的晶格不匹配導致每個轉換器14a、14b、14c中與直徑相關的應變，且因此導致允許不同峰值波長21、22、23的帶隙偏移。此與直徑相關的峰值波長可以設定為一個生長過程。接收器包含複數個光二極體30，其包含被調諧到峰值波長21、22、23中之一者的活性區域31、32、33。
轉換器14a、14b、14c可以配置在規則晶格的節點處，例如如圖5B所示。
本專利申請案係請求德國專利申請案102021126740.4的優先權，其揭示內容藉由引用併入本文。
藉由基於該等例示性實施例的敘述，本發明不侷限於例示性實施例。相反地，本發明包含任何新特徵以及特徵的任何組合，尤其包含專利請求項中的特徵的任何組合以及例示性實施例中的特徵的任何組合，即使此特徵或此組合本身未在專利請求項或例示性實施例中明確地指定。
1:發射器 1a,1b:發射器的側邊 13,13a,13b,13c:發射器的活性區 14a,14b,14c:轉換器 2:電磁輻射 21,22,23:峰值波長 3:接收器 3a,3b:接收器的一部分 30:光二極體 31,32,33:光二極體的活性區域 4:載體 UI:輸入電壓 UO:輸出電壓 L:側向方向
圖1係示意性顯示本發明之光電裝置的實施例的頂視圖。 圖2係示意性顯示本發明之光電裝置的另一個實施例的截面圖。 圖3係示意性顯示本發明之光電裝置的另一個實施例，圖3 A係顯示實施例的示意性截面圖，圖3B係顯示實施例的發射器1的示意性頂視圖。 圖4係示意性顯示本發明之光電裝置的另一個實施例，圖4A係顯示實施例的示意性側視圖，圖4B係顯示實施例的發射器1的示意性頂視圖。 圖5係示意性顯示本發明之光電裝置的另一個實施例，圖5A係顯示實施例的示意性截面圖。圖5B係顯示實施例的發射器1的示意性頂視圖。
1:發射器
13a,13b:發射器的活性區
2:電磁輻射
21,22:峰值波長
3:接收器
30:光二極體
31,32:光二極體的活性區域
UI:輸入電壓
UO:輸出電壓

Claims (18)

  1. 一種光電裝置，包含： 一發射器(1)，其構造成發射具有兩個以上的峰值波長(21、22、23)的電磁輻射(2)且以一輸入電壓(UI)操作， 一接收器(3)，其構造成接收該電磁輻射(2)且提供一輸出電壓(UO)。
  2. 如請求項1之光電裝置，其中該發射器(1)包含兩個以上的活性區(13、13a、13b、13c)且每個活性區(13、13a、13b、13c)係構造成發射具有該等峰值波長(21、22、23)中之一者的電磁輻射。
  3. 如請求項2之光電裝置，其中該等活性區(13、13a、13b、13c)係彼此單體地整合。
  4. 如請求項1至3中任一項之光電裝置，其中該等峰值波長(21、22、23)藉由量子井互相混合來設定。
  5. 如請求項1至4中任一項之光電裝置，其中每個活性區(13、13a、13b、13c)包含一奈米線或一奈米棒。
  6. 如請求項1至5中任一項之光電裝置，其中該等活性區(13a、13b、13c)係配置成在一側向方向(L)上彼此間隔開。
  7. 如請求項1至6中任一項之光電裝置，其中該發射器(1)包含一邊緣發射裝置且其構造成從兩個相對側邊(1a、1b)發射該電磁輻射(2)且從每個側邊(1a, 1b)照射該接收器(3)的另一部分(3a、3b)。
  8. 如請求項1至7中任一項之光電裝置，其中該發射器(1)包含兩個以上的轉換器(14a、14b、14c)，且每個轉換器(14a、14b、14c)係構造成發射具有該等峰值波長(21、22、23)中之一者的電磁輻射。
  9. 如請求項8之光電裝置，其中每個轉換器(14a、14b、14c)包含一奈米線或一奈米棒。
  10. 如請求項1至9中任一項之光電裝置，其中該接收器(3)包含複數個光二極體(30)。
  11. 如請求項10之光電裝置，其中該接收器的每個部分(3a、3b)包含複數個光二極體(30)。
  12. 如請求項10至11中任一項之光電裝置，其中所有的光二極體(30)係彼此串聯地連接。
  13. 如請求項10至12中任一項之光電裝置，其中每個光二極體(30)包含兩個以上的活性區域(31、32、33)，每個活性區域(31、32、33)被調諧到該等峰值波長中(21、22、23)之一者。
  14. 如請求項1至13中任一項之光電裝置，其中該輸入電壓(UI)低於該輸出電壓(UO)。
  15. 如請求項1至14中任一項之光電裝置，其中該等活性區域(31、32、33)的面積從該接收器(3)的中心朝向邊緣增加。
  16. 如請求項1至15中任一項之光電裝置，其中每個光二極體(30)包含兩個以上的活性區域(31、32、33)，該等活性區域在該電磁輻射穿過該光二極體(30)的方向上一個接一個地配置。
  17. 如請求項1至16中任一項之光電裝置，其中每個光二極體(30)包含兩個以上的活性區域(31、32、33)，每個光二極體(30)的活性區域(31、32、33)係彼此串聯地電連接且每個活性區域(31、32、33)被調諧到該等峰值波長(21、22、23)中之一者，其中在第一活性區域(31)中吸收具有較小峰值波長的電磁輻射。
  18. 如請求項17之光電裝置，其中每個光二極體(30)的活性區域(31、32、33)藉由一穿隧接面或藉由一透明導電氧化物(TCO)彼此串聯地電連接。
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