WO2023046373A1 - Optoelektronische vorrichtung - Google Patents

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WO2023046373A1
WO2023046373A1 PCT/EP2022/072915 EP2022072915W WO2023046373A1 WO 2023046373 A1 WO2023046373 A1 WO 2023046373A1 EP 2022072915 W EP2022072915 W EP 2022072915W WO 2023046373 A1 WO2023046373 A1 WO 2023046373A1
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receiver
carrier
transmitter
optoelectronic device
photodiodes
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PCT/EP2022/072915
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Norwin Von Malm
Martin Hetzl
Horst Varga
Tim Boescke
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

Definitions

  • An optoelectronic device is specified.
  • One problem to be solved is to specify an optoelectronic device that is particularly compact.
  • the optoelectronic device comprises a transmitter that is set up to emit electromagnetic radiation and to be operated with an input voltage.
  • the transmitter is, for example, a component that generates electromagnetic radiation in the wavelength range between infrared radiation and UV radiation.
  • the transmitter can be set up to generate electromagnetic radiation in the wavelength range from at least 350 nm to at most 1100 nm, in particular in the wavelength range from at least 800 nm to at most 950 nm, during operation.
  • the device comprises a first receiver which is set up to receive at least part of the electromagnetic radiation and to supply at least part of an output voltage.
  • the first receiver is set up in particular to receive at least part of the electromagnetic radiation emitted by the transmitter during operation and to convert at least part of the received electromagnetic radiation into electrical energy.
  • the first receiver can in particular be tuned to the transmitter in such a way that the first receiver for the transmitter generated electromagnetic radiation has a particularly high absorption.
  • the optoelectronic device can include exactly one receiver. Furthermore, it is possible for the optoelectronic device to comprise second, third, fourth or more receivers.
  • the transmitter comprises at least one surface emitter.
  • a surface emitter is understood to mean a radiation-emitting component which emits the electromagnetic radiation generated during operation transversely, in particular perpendicularly, to a mounting surface on which the radiation-emitting component is mounted.
  • the surface emitter can be a semiconductor component which has an epitaxially grown semiconductor body. The direction in which the electromagnetic radiation is then emitted during operation can in particular be parallel to a growth direction of the semiconductor body.
  • the semiconductor body can, for example, be based on semiconductor materials such as In(Ga)N, In(Ga)AlP, (Al)GaAs, (In)GaAs.
  • the surface emitter can be, for example, a light-emitting diode or a laser diode, in particular a superluminescent diode or a VCSEL.
  • the transmitter can contain a large number of surface emitters, which can be connected to one another in series and/or in parallel. The input voltage of the transmitter is then calculated accordingly from the voltages with which the surface emitters are operated.
  • the first receiver comprises at least one photodiode.
  • the photodiode can comprise a semiconductor body with at least one detecting layer which is set up to absorb the electromagnetic radiation generated by the at least one surface emitter during operation and to convert it into electrical energy.
  • the at least one photodiode can be formed, for example, in the same material system as the at least one surface emitter or in a different material system.
  • the receiver can include a large number of photodiodes, which can be connected to one another in series or in parallel. The output voltage of the receiver is then calculated accordingly from the voltage that drops across the individual photodiodes.
  • the optoelectronic device comprises a carrier for the transmitter, which has a top surface and a bottom surface.
  • the top surface is a main surface of the carrier, which can, for example, be planar or level.
  • the bottom surface is then a further main surface of the transmitter facing away from the top surface.
  • the carrier can be a growth substrate for the at least one surface emitter of the transmitter. It is also possible that the carrier is not a growth substrate for the at least one surface emitter. The growth substrate can then also be removed and replaced by the carrier.
  • the carrier is the mechanically supporting component of the transmitter, to which the at least one surface emitter of the transmitter is mechanically attached and from which the at least one surface emitter is mechanically supported.
  • the at least one surface emitter of the transmitter is attached to the top surface of the carrier and emits at least part of the electromagnetic radiation generated during operation through the carrier. This means that the carrier is permeable to the generated electromagnetic radiation, in particular transparent.
  • the first receiver is arranged on the bottom surface of the carrier.
  • the first receiver can be at a distance from the floor surface or the first receiver and the carrier can be in direct contact with one another.
  • a mechanical connection between the first receiver and the carrier can be mediated, for example via a housing.
  • the optoelectronic device comprises a transmitter that is set up to emit electromagnetic radiation and to be operated with an input voltage, a carrier for the transmitter that has a top surface and a bottom surface, a first receiver that is set up to receive at least part of the electromagnetic radiation and to supply at least part of an output voltage.
  • the transmitter comprises at least one surface emitter.
  • the at least one surface emitter is attached to the top surface of the carrier and at least a part of the electromagnetic Radiation is radiated through the carrier.
  • the first receiver comprises at least one photodiode and is arranged on the bottom surface of the carrier.
  • the optoelectronic device described here is based, inter alia, on the following considerations.
  • the optoelectronic device described here can advantageously be used as an optical voltage converter or be such. It is also possible with the optoelectronic device described here to convert a high voltage on the input side into a low voltage at the receiver. Furthermore, with the present Device an AC voltage can be transformed into a DC voltage and vice versa. Finally, with the present device it is also possible to transmit energy from the transmitter side to the receiver side in a galvanically isolated manner, without a voltage change occurring in the process.
  • the optoelectronic device described here can therefore, for example, form a transformer that does not require inductive elements, in particular without coils.
  • the optoelectronic device can thus be used in areas for which magnetic influence would be critical or which are provided with high external magnetic fields.
  • the optical power transmission in the optoelectronic device ensures galvanic isolation from the high-voltage side and the low-voltage side.
  • the output voltage generated can be free of interference. This can be the case in particular when used in measuring systems and/or monitoring systems in the smallest of spaces, which react sensitively to disturbances in the supply voltage.
  • the maximum power to be drawn at the receiver end is directly proportional to the power fed in at the transmitter end. This makes it possible to monitor changes in current and voltage on the transmitter side. This can be used, for example, for galvanically isolated monitoring of high voltages. Due to the non-linear characteristic of the transmitter, particularly well-defined pulses can be generated on the transmitter side, which is not the case with purely electronic solutions, for example in switched-mode power supplies.
  • Another idea behind the device described here is to combine semiconductor light emitters and photodiodes, i.e. photovoltaic cells, in order to achieve a conversion from low to high voltage.
  • the wavelength of the emitted light can be between 350 nm and 1100 nm depending on the semiconductor materials used, for example: In(Ga)N, In(Ga)AlP, (Al)GaAs, (In)GaAs.
  • Typical input voltages are 1V, 3V, 5V, 8V, 10V or in between.
  • an array of series-connected photodiodes operating in photovoltaic mode collects the emitted light.
  • each individual photodiode generates a voltage of the order of 0.5-3 V and a current depending on the intensity of the incident light.
  • the high output power of the transmitter makes it possible to use only a single or a small number of surface emitters to illuminate the photodiodes, which reduces the size and cost of the device on the transmitter side.
  • the distance and area of the receiver can also be compressed to a small scale.
  • the transmission of energy and/or the conversion of voltage is possible in a particularly compact component.
  • the optoelectronic device is insensitive to external influences such as electromagnetic fields.
  • the input voltage is lower than the output voltage and the first receiver or further receivers comprise a large number of photodiodes which are connected to one another in series.
  • the transmitter it is possible, for example, for the transmitter to also include a large number of surface emitters, which are then connected in parallel to one another, for example.
  • the input voltage of the transmitter is lower than the output voltage of the first receiver or the other receivers.
  • the device is therefore set up to a Convert low input voltage to high output voltage.
  • the first receiver and possibly the further receivers can comprise a large number of photodiodes, for example at least 10 photodiodes, in particular at least 50 or at least 100 individual photodiodes.
  • the output voltage can easily be set via the number of photodiodes that are connected in parallel to one another.
  • the input voltage is greater than the output voltage and the transmitter includes a large number of surface emitters that are connected to one another in series. It is in particular possible that the optoelectronic device comprises more surface emitters than photodiodes. It is also possible for the device to include a large number of photodiodes in the first receiver and, if appropriate, in the further receivers, which are at least partially connected to one another in parallel. With this device it is possible to convert a high input voltage into a lower output voltage.
  • the transmitter comprises two series circuits of surface emitters, which are connected to one another in antiparallel. In this way, an AC voltage can be transformed into a DC voltage by the device. In particular, a high AC voltage can be transformed into a lower, possibly pulsed, DC voltage.
  • the device comprises further receivers which are set up to receive part of the electromagnetic radiation and to supply part of an output voltage, with each further receiver comprising at least one photodiode. In particular, each additional receiver includes a large number of photodiodes.
  • the individual receivers of the optoelectronic device can have the same structure, for example, and can each have the same number of photodiodes.
  • the photodiodes of the individual receivers can be connected to one another accordingly. For example, it is possible that the input voltage is lower than the output voltage and the photodiodes of all receivers are connected in series with each other.
  • the optoelectronic device comprises a second receiver, which is arranged on the top surface of the carrier. That is, in this embodiment, the first receiver is located on the bottom surface of the carrier and the second receiver is located on the top surface of the carrier. The surface emitters of the transmitter then radiate electromagnetic radiation through the carrier to the first receiver and away from the carrier to the second receiver.
  • the surface emitters can then in particular be surface emitters emitting on both sides.
  • the second receiver can be in direct contact with the surface emitters. It is also possible for the second receiver and the transmitter to be spaced apart from one another are arranged. It is possible that there is a mechanical connection between the transmitter and the second receiver, which can be mediated, for example, by a housing.
  • a third receiver and/or a fourth receiver and/or a fifth and/or a sixth receiver are arranged to the side of the transmitter.
  • the transmitter is arranged centrally.
  • the first receiver is arranged below the transmitter, on the bottom surface of the carrier, and the second receiver is arranged above the carrier.
  • the third and/or the fourth receiver can then be arranged laterally next to the transmitter.
  • the fifth and sixth receivers can be located in front of and behind the transmitter.
  • a beam splitter is arranged downstream of the transmitter on the top surface and/or the bottom surface of the carrier. With this beam splitter, it is possible to redirect part of the electromagnetic radiation emitted by the transmitter on the top surface or the bottom surface to the third and/or fourth and/or fifth and/or sixth receiver and direct part of the electromagnetic radiation to the first and/or the redirect second recipient . In this way, a particularly large number of photodiodes can be irradiated by a single transmitter, and a particularly compact construction of the optoelectronic device is possible.
  • the first receiver is in direct contact with the carrier.
  • electromagnetic radiation be brought to the first receiver particularly efficiently by the carrier and the carrier can represent a mechanically supporting component for the photodiodes of the first receiver.
  • the at least one photodiode of the first receiver can be bonded to the bottom surface of the carrier.
  • the bonding can take place, for example, by direct bonding.
  • a material connection between the carrier and the photodiodes of the first receiver to be formed by a connecting material, such as an adhesive. At the same time, this connecting material can act as a light guide for conducting the electromagnetic radiation from the bottom surface of the carrier to a radiation entry surface of the photodiodes.
  • the at least one photodiode of the first receiver can be grown epitaxially on the bottom surface of the carrier.
  • the carrier represents a growth substrate for the photodiodes of the first receiver.
  • the at least one surface emitter of the transmitter is grown epitaxially on the top surface of the carrier.
  • the carrier then represents a growth substrate for the surface emitter of the transmitter.
  • the carrier can then in particular also represent a growth substrate for the surface emitters of the transmitter and the photodiodes of the first receiver. This enables a particularly compact construction of the optoelectronic device and electromagnetic radiation can be conducted from the surface emitters to the photodiodes in a particularly loss-free manner.
  • the optoelectronic device described here is explained in more detail below using exemplary embodiments and the associated figures.
  • the optoelectronic device includes a transmitter 1 which is set up to emit electromagnetic radiation 2 .
  • the transmitter 1 is operated with an input voltage UI.
  • the transmitter 1 comprises a carrier 7 which has a top surface 71 and a bottom surface 72 . Furthermore, the optoelectronic device comprises a first receiver 3 which is set up to receive part of the electromagnetic radiation 2 of the transmitter 1 and to convert at least part of the received radiation into electrical current. The first receiver 3 supplies part of the output voltage UO.
  • the transmitter includes a large number of surface emitters 10, each of which is a VCSEL chip, for example. The surface emitters are attached to the top surface 71 of the carrier 7 . At least part of the electromagnetic radiation 2 is emitted by the carrier 7 .
  • the first receiver 3 comprises a large number of photodiodes 30 which are applied to a first carrier 31 and face the bottom surface 72 of the carrier 7 .
  • the first receiver 3 is thereby arranged on the bottom surface 72 of the carrier 7 .
  • a second receiver 4 with a second carrier 41 for the photodiodes 30 is arranged on the top surface 71 of the carrier 7 .
  • the photodiodes 30 of the second receiver 4 face the surface emitters 10 .
  • the photodiodes 30 of the second receiver 4 are also set up to receive part of the electromagnetic radiation 2 and to supply part of the output voltage UO. For example, it is possible that all photodiodes 30 of the first receiver 3 and the second receiver 4 are connected to one another in series.
  • the first receiver 3 and the second receiver 4 can have the same structure, for example.
  • the first receiver 3 and the second receiver 4 are then, for example, identical in construction.
  • the transmitter 1, the first receiver 3 and the second receiver 4 can be arranged in a common housing 8, which can be filled with an electrically insulating material, such as a gas or a transparent plastic material.
  • an electrically insulating material such as a gas or a transparent plastic material.
  • the number of photodiodes 30 in the first receiver 3 corresponds to the number of surface emitters and the number of photodiodes 30 in the second receiver 4 .
  • the transmitter 1 can be, for example, an array of VCSELs, which includes VCSELs as surface emitters 10 that emit the electromagnetic radiation on both sides, ie from their upper side and lower side.
  • the first receiver 3 and the second receiver 4 are each a photodiode array. Due to the sharp and symmetrical beam profile of the electromagnetic radiation 2 of the individual surface emitters 10, each surface emitter 10 in each case illuminates a photodiode of both receivers.
  • the electromagnetic radiation 2 that reaches the second receiver 4 propagates through the material with which the housing 8 is filled.
  • the electromagnetic radiation 2, which is emitted to the first receiver 3, is emitted through the carrier 7, which is designed to be transparent for the electromagnetic radiation 2.
  • the surface emitter 10 can comprise a VCSEL which emits on both sides, or it comprises a double heterostructure which consists of two VCSELs grown directly one on top of the other.
  • Each VCSEL part can include a corresponding resonator with two pairs of mirrors, for example DBR mirrors.
  • the VCSEL of a surface emitter 10 can be designed in such a way that they emit at different wavelengths, with the upper VCSEL, which emits the electromagnetic radiation 2 in the direction of the second receiver 4 emits, can be formed for example in the material system GaAs.
  • the photodiodes 30 of the second receiver 4 are then advantageously also formed in the GaAs material system, as a result of which the absorption of the photodiodes 30 is matched to the electromagnetic radiation 2 of the surface emitters 1 .
  • the lower VCSEL, which faces the first receiver 3, can then be formed, for example, in the InGaAs material system.
  • the carrier 7 can then be, for example, a growth substrate that consists of or contains GaAs.
  • the first receiver 3 includes photodiodes 30 which are also formed in the InGaAs material system.
  • This embodiment is particularly advantageous due to the increased efficiency of GaAs-based photodiodes. Further advantages of this embodiment are that the surface emitters 10 are inexpensive and the emission of the electromagnetic radiation 2 can be projected directly onto the photodiodes 30 in two directions.
  • the structure enables operation at two different wavelengths of the electromagnetic radiation 2 .
  • a scattering of the electromagnetic radiation 2 in the carrier 7 is disadvantageous.
  • a housing 8 is necessary for the mechanical connection of the components of the optoelectronic device and the photodiodes 30 of the first receiver 1 must have a smaller band gap so that the electromagnetic radiation 2 is not absorbed by the GaAs substrate.
  • an optoelectronic device in which, in contrast to the device in FIG. 1, there is direct contact between the first receiver 3 and the transmitter 1.
  • the photodiodes 30 of the first receiver 3 are wafer-bonded to the base surface 72 on the carrier 7, for example.
  • the carrier 7 is designed to be electrically insulating for this purpose, in order to block the high electric fields that result from the potential difference between the output voltage UO and the input voltage UI.
  • the output voltage UO is in the range of 1000 V and the input voltage is in the range of 3 V.
  • the carrier 7 comprises an electrically insulating layer on its bottom surface 72, which layer can be formed, for example, with a SiN layer several micrometers thick.
  • the thickness of the layer is between at least 2 and at most 3 ⁇ m per 1000 V potential difference between the input voltage UI and the output voltage UO.
  • the disadvantage of this embodiment is that the carrier 7 needs to be electrically insulated. Facilitated adjustment between the surface emitters 10 and the photodiodes 30 of the first receiver 3 and a reduced size, in particular also of the housing 8 , advantageously result.
  • FIG. 3 In connection with the schematic sectional view of FIG. 3, another exemplary embodiment is shown here described optoelectronic device explained in more detail.
  • the photodiodes 30 of the second receiver 4 are also in direct contact with the transmitter 1 in this exemplary embodiment.
  • the photodiodes 30 can be bonded to the respectively opposite surface emitters 10, which are, for example, a VCSEL chip. As a result, each photodiode 30 is aligned with the aperture of the surface emitter 10 . This leads to a further miniaturization of the device, but requires sufficient electrical insulation between the surface emitters 10 and the photodiodes 30, for example a dielectric layer as described for FIG.
  • the two receivers 3, 4 and the transmitter 1 can be aligned at the wafer level. As a result, no adjustment is necessary when it is introduced into a housing 8, which further reduces the outlay for production. It can be disadvantageous that electrical insulation is required between the surface emitters 10 and the photodiodes 30 of the second receiver 4 and that the interconnection of the individual surface emitters 10 and the individual photodiodes 30 of the second receiver 2 is complicated compared to the exemplary embodiment in FIG is adorned .
  • FIG. 4 A further exemplary embodiment of a device described here is explained in more detail in conjunction with the schematic sectional illustration in FIG.
  • the photodiodes 30 of the first receiver 3 in the exemplary embodiment in FIG. 4 are applied epitaxially to the carrier 7 .
  • the surface emitter 10 are grown epitaxially on the carrier 7.
  • the surface emitters 10 are first grown epitaxially, for example, on the top surface 71 of the carrier 7 .
  • the bottom surface 72 of the carrier 7, on which the photodiodes 30 are later epitaxially deposited, can meanwhile be protected by a first sacrificial layer, which is formed with SiOg, for example.
  • the sacrificial layer is removed before the photodiodes 30 are grown, which can be covered by a further sacrificial and protective layer after the growth.
  • the surface emitters 10 may be protected during the growth of the photodiodes 30 by a sacrificial layer formed with, for example, InGaP or AlGaAs with a high aluminum content.
  • the processing of the surface emitters 10 and the photodiodes 30 after growth takes place from both sides of the carrier 7 .
  • a particularly compact device is advantageously obtained in which no wafer bonding is necessary. Furthermore, there are particularly low material costs in the production, since only a single growth substrate—the carrier 7—is used. However, particularly careful handling of the carrier 7 is necessary during production, since the epitaxial growth takes place on both sides of the carrier.
  • beam splitters 9 are introduced into the housing 8 and are each arranged between the transmitter 1 and the first receiver 3 and the second receiver 4 .
  • the beam splitters deflect the electromagnetic radiation from the surface emitters 10 in different directions, for example by 90°.
  • the beam splitters 9 can, for example, be pyramid-shaped
  • the device can include other receivers, not shown, for example a fifth receiver and a sixth receiver, which are arranged in front of and behind the transmitter 1 . All photodiodes 30 of all receivers can be connected in series.
  • the free space between the components of the device in the housing 8 can be filled with a transparent insulating material, such as a plastic such as silicone and/or an epoxy resin. It is advantageous that the emission can be projected onto photodiodes 30 in up to six directions, which provides a particularly compact component with the same number of photodiodes 30 . In this case, high voltages are possible with a small overall size and, as described for FIG. 1, operation at two different wavelengths is also possible. A complex adjustment in the housing 8 results as a disadvantage.
  • a device described here allows large differences between the input voltage UI and the output voltage UO with a particularly small component size.
  • Surface emitters 10 are used in the components, which emit part of their radiation through the carrier 7 .
  • the carrier 7 is transparent to the radiation generated in the surface emitter 10, which is possible, for example, for a surface emitter in the InGaAs material system on a GaAs substrate or an InGaN-based surface emitter on a GaN/sapphire substrate.
  • this growth substrate is not transparent to the electromagnetic radiation generated.
  • the growth substrate can be detached and replaced by a transparent carrier 7 .
  • the space between adjacent photodiodes 30 should not be illuminated, since this radiation 2 would otherwise not contribute to the voltage conversion.
  • the distribution of the electromagnetic radiation 2 of the surface emitters over a number of receivers proves to be particularly advantageous when using high-performance VCSELs as surface emitters 10, since for these the optical power of a surface emitter 10 would exceed the intensity required to saturate a photodiode 30 .

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Abstract

Es wird eine optoelektronische Vorrichtung angegeben mit - einem Sender (1), der dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung (2) zu emittieren und mit einer Eingangsspannung (UI) betrieben zu werden, - einem Träger (7) für den Sender (1), der eine Deckfläche (71) und eine Bodenfläche (72) aufweist,- einem ersten Empfänger (3), der dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung (2) zu empfangen und zumindest einen Teil einer Ausgangsspannung (UO) zu liefern, wobei - der Sender (1) zumindest einen Oberflächenemitter (10) umfasst, - der zumindest eine Oberflächenemitter (10) des Senders (1) an der Deckfläche (71) des Trägers (7) befestigt ist und zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung (2) durch den Träger (71) abstrahlt, - der erste Empfänger (3) zumindest eine Fotodiode (30) umfasst, und - der erste Empfänger (3) an der Bodenfläche (72) des Trägers (7) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHE VORRICHTUNG
Es wird eine optoelektronische Vorrichtung angegeben .
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine optoelektronische Vorrichtung anzugeben, die besonders kompakt ist .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Sender, der dazu eingerichtet ist , elektromagnetische Strahlung zu emittieren und mit einer Eingangsspannung betrieben zu werden . Bei dem Sender handelt es sich beispielsweise um ein Bauteil , welches elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen Infrarotstrahlung und UV-Strahlung erzeugt . Insbesondere kann der Sender dazu eingerichtet sein, im Betrieb elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von wenigstens 350 nm bis höchstens 1100 nm, insbesondere im Wellenlängenbereich von wenigstens 800 nm bis höchstens 950 nm zu erzeugen .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung einen ersten Empfänger, der dazu eingerichtet ist , zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung zu empfangen und zumindest einen Teil einer Ausgangsspannung zu liefern . Der erste Empfänger ist insbesondere dazu eingerichtet , zumindest einen Teil der vom Sender im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung zu empfangen und zumindest einen Teil der empfangenen elektromagnetischen Strahlung in elektrische Energie umzuwandeln . Der erste Empfänger kann dabei insbesondere derart auf den Sender abgestimmt sein, dass der erste Empfänger für die vom Sender erzeugte elektromagnetische Strahlung eine besonders hohe Absorption aufweist . Die optoelektronische Vorrichtung kann genau einen Empfänger umfassen . Ferner ist es möglich, dass die optoelektronische Vorrichtung zweite , dritte , vierte oder mehr Empfänger umfasst .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form der optoelektronischen Vorrichtung umfasst der Sender zumindest einen Oberflächenemitter . Unter einem Oberflächenemitter wird vorliegend ein strahlungsemittierendes Bauelement verstanden, welches die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung quer, insbesondere senkrecht , zu einer Montagefläche , auf der das strahlungsemittierende Bauelement montiert ist , abstrahlt . Insbesondere kann es sich bei dem Oberflächenemitter um ein Halbleiterbauelement handeln, welches einen epitaktisch gewachsenen Halbleiterkörper aufweist . Die Richtung, in der die elektromagnetische Strahlung dann im Betrieb abgestrahlt wird, kann insbesondere parallel zu einer Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers sein . Der Halbleiterkörper kann zum Beispiel auf Halbleitermaterialien, wie In ( Ga ) N, In ( Ga ) AlP, (Al ) GaAs , ( In) GaAs , basieren .
Bei dem Oberflächenemitter kann es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode oder um eine Laserdiode , insbesondere um eine Superlumines zenzdiode oder einen VCSEL handeln . Der Sender kann dabei eine Viel zahl von Oberflächenemittern enthalten, die zueinander in Reihe und/oder parallel verschaltet sein können . Die Eingangsspannung des Senders berechnet sich dann entsprechend aus den Spannungen, mit denen die Oberflächenemitter betrieben werden . Gemäß zumindest einer Aus führungs form der optoelektronischen Vorrichtung umfasst der erste Empfänger zumindest eine Fotodiode . Die Fotodiode kann ein Halbleiterkörper mit zumindest einer detektierenden Schicht umfassen, die dazu eingerichtet ist , die von dem zumindest einen Oberflächenemitter im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung zu absorbieren und in elektrische Energie umzuwandeln . Die zumindest eine Fotodiode kann zum Beispiel im gleichen Materialsystem wie der zumindest eine Oberflächenemitter oder in einem anderen Materialsystem gebildet sein . Der Empfänger kann insbesondere eine Viel zahl von Fotodioden umfassen, die miteinander in Reihe oder parallel verschaltet sein können . Die Ausgangsspannung des Empfängers berechnet sich dann entsprechend aus der Spannung, die an den einzelnen Fotodioden abfällt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Träger für den Sender, der eine Deckfläche und eine Bodenfläche aufweist . Bei der Deckfläche handelt es sich um eine Hauptfläche des Trägers , die beispielsweise plan oder eben ausgebildet sein kann . Bei der Bodenfläche handelt es sich dann um eine der Deckfläche abgewandte weitere Hauptfläche des Senders . Bei dem Träger kann es sich um ein Aufwachssubstrat für den zumindest einen Oberflächenemitter des Senders handeln . Ferner ist es möglich, dass der Träger kein Aufwachssubstrat für den zumindest einen Oberflächenemitter ist . Das Aufwachssubstrat kann dann auch entfernt und durch den Träger ersetzt sein .
Bei dem Träger handelt es sich um die mechanisch tragende Komponente des Senders , an welcher der zumindest eine Oberflächenemitter des Senders mechanisch befestigt ist und von der der zumindest eine Oberflächenemitter mechanisch getragen wird .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form der optoelektronischen Vorrichtung ist der zumindest eine Oberflächenemitter des Senders an der Deckfläche des Trägers befestigt und strahlt zumindest einen Teil der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch den Träger ab . Das bedeutet , der Träger ist für die erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig, insbesondere transparent .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form der optoelektronischen Vorrichtung ist der erste Empfänger an der Bodenfläche des Trägers angeordnet . Dabei kann der erste Empfänger beabstandet zur Bodenfläche sein oder der erste Empfänger und der Träger stehen in direktem Kontakt miteinander . Für den Fall , dass der erste Empfänger und der Träger beabstandet zueinander angeordnet sind, kann eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Empfänger und dem Träger beispielsweise über ein Gehäuse vermittelt sein .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Sender, der dazu eingerichtet ist , elektromagnetische Strahlung zu emittieren und mit einer Eingangsspannung betrieben zu werden, einen Träger für den Sender, der eine Deckfläche und eine Bodenfläche aufweist , einen ersten Empfänger, der dazu eingerichtet ist , zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung zu empfangen und zumindest einen Teil einer Ausgangsspannung zu liefern . Dabei umfasst der Sender zumindest einen Oberflächenemitter . Der zumindest eine Oberflächenemitter ist an der Deckfläche des Trägers befestigt und zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strahlung wird durch den Träger abgestrahlt . Der erste Empfänger umfasst zumindest eine Fotodiode und ist an der Bodenfläche des Trägers angeordnet .
Der hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung liegen dabei unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde .
Viele Anwendungen, wie zum Beispiel in der Akustik, bei Strahlungssteuerungstechnologien wie etwa MEMS , Aktoren, Detektoren, wie Avalanche-Fotodioden, Ein-Fotonen-Avalanche- Dioden oder Fotomultiplier, erfordern Hochspannungsversorgungen mit relativ geringem Stromverbrauch . Solche Anwendungen können Spannungen von mehr als 50 V, 100 V, 500 V, 1000 V, 2000 V, 10000 V und mehr erfordern, während gleichzeitig ein kleiner Footprint des Geräts in Bezug auf Größe , Gewicht , Kosten und Energieverbrauch beibehalten werden soll . Diese Eigenschaften sind besonders wichtig für mobile Geräte wie etwa AR-VR- Brillen, tragbare In-Ear-Kopfhörer und Automobilanwendungen .
Ein weiteres Problem, das bei Hochspannungsgeneratoren mit kleinem Platzbedarf zu lösen ist , ist die Verbindung von Nieder- und Hochspannungspfaden, die galvanisch getrennt sein sollten, um die Funktionssicherheit und Langzeitstabilität eines Geräts unter wechselnden Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit , Staub zu gewährleisten .
Die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung kann dabei mit Vorteil als optischer Spannungswandler zum Einsatz kommen oder ein solcher sein . Weiter ist es mit der hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung möglich, eine hohe Spannung an der Eingangsseite in eine niedrige Spannung beim Empfänger umzuwandeln . Ferner kann mit der vorliegenden Vorrichtung eine Wechselspannung in eine Gleichspannung trans formiert werden und umgekehrt . Schließlich ist es mit der vorliegenden Vorrichtung auch möglich, galvanisch getrennt Energie von der Senderseite auf die Empfängerseite zu übertragen, ohne dass dabei eine Spannungsänderung erfolgt .
Die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung kann also beispielsweise einen Trans formator bilden, der ohne induktive Elemente auskommt , insbesondere ohne Spulen . Dadurch wird einerseits der Bauraum im Vergleich zu herkömmlichen Trans formatoren besonders klein, andererseits entstehen bei der Trans formation keine starken magnetischen Felder . Dadurch ist auch eine Beeinflussung durch äußere magnetische und/oder elektrische Felder ausgeschlossen . Somit kann die optoelektronische Vorrichtung in Bereichen eingesetzt werden, für die eine magnetische Beeinflussung kritisch wäre oder die mit hohen äußeren magnetischen Feldern versehen sind . Zugleich ist durch die optische Leistungsübertragung in der optoelektronischen Vorrichtung für eine galvanische Trennung von der Hochvoltseite und der Niedervoltseite gesorgt .
Durch den Wegfall der Notwendigkeit , geschaltete Elemente zu verwenden, wie es zum Beispiel in Boost- oder Buck-Konvertern der Fall ist , oder auch bei einem induktiven Trans formator notwendig wäre , kann die erzeugte Ausgangsspannung frei von Störungen sein . Dies kann insbesondere beim Einsatz in Messsystemen und/oder Monitoring-Systemen auf kleinstem Raum der Fall sein, welche empfindlich auf Störungen der Versorgungsspannung reagieren .
Für den Fall , dass die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung ist , kann die Tatsache ausgenutzt werden, dass die maximal zu entnehmende Leistung an der Empfängerseite direkt proportional zur eingespeisten Leistung an der Senderseite ist . Dadurch ist es möglich, Veränderungen in Strom und Spannung auf der Senderseite zu monitoren . Dies kann beispielsweise zur galvanisch getrennten Überwachung von hohen Spannungen eingesetzt werden . Aufgrund der nichtlinearen Kennlinie des Senders können dabei besonders gut definierte Pulse auf der Senderseite erzeugt werden, was bei rein elektronischen Lösungen, zum Beispiel in Schaltnetzteilen, nicht der Fall ist .
Eine weitere Idee der hier beschriebenen Vorrichtung ist es , Halbleiter-Lichtemitter und Fotodioden, also Fotovoltaik- Zellen, zu kombinieren, um eine Umwandlung von niedriger in hohe Spannung zu erreichen . Auf dem Niederspannungspfad emittieren dazu zum Beispiel ein oder mehrere parallel zueinander geschaltete oberflächenemittierende Halbleiterlaser, Leuchtdioden oder Superlumines zenzdioden Licht . Die Wellenlänge des emittierten Lichts kann zwischen 350 nm und 1100 nm liegen, abhängig von den verwendeten Halbleitermaterialien, zum Beispiel : In ( Ga ) N, In ( Ga ) AlP, (Al ) GaAs , ( In) GaAs . Typische Eingangsspannungen sind 1 V, 3 V, 5 V, 8 V, 10 V oder dazwischen .
Auf der Hochspannungsseite , die galvanisch von der Niederspannungsseite getrennt ist , sammelt ein Array von in Reihe geschalteten Fotodioden, die im fotovoltaischen Modus arbeiten, das emittierte Licht . Je nach verwendetem Material , zum Beispiel Si , InGaAs , GaAs , InGaN oder Perowskit , erzeugt j ede einzelne Fotodiode eine Spannung in der Größenordnung von 0 , 5-3 V und einen Strom in Abhängigkeit von der Intensität des einfallenden Lichts . Durch die Verwendung einer großen Anzahl von Fotodioden, die alle auf einer sehr kleinen Wafer-Skala in Reihe geschaltet sein können, summieren sich diese Einzelspannungen zu einer hohen Gesamtspannung, die 10 V, 50 V, 100 V, 500 V, 1000 V, 10000 V überschreiten kann .
Durch die hohe Ausgangsleistung des Senders ist es möglich, nur einen einzigen oder eine geringe Anzahl von Oberflächenemittern zur Beleuchtung der Fotodioden zu verwenden, was Größe und Kosten der Vorrichtung auf der Senderseite reduziert .
Mit einem fokussierten Lichtkegel der Oberflächenemitter kann auch der Abstand und die Fläche des Empfängers auf einen kleinen Maßstab komprimiert werden .
Insgesamt sind mit der vorliegenden Vorrichtung die Übertragung von Energie und/oder die Wandlung von Spannung in einem besonders kompakten Bauteil möglich . Die optoelektronische Vorrichtung ist dabei unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie beispielsweise elektromagnetischen Feldern .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form der optoelektronischen Vorrichtung ist die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung und der erste Empfänger beziehungsweise weitere Empfänger umfassen eine Viel zahl von Fotodioden, die in Reihe miteinander verschaltet sind . In diesem Fall ist es beispielsweise möglich, dass der Sender ebenfalls eine Viel zahl von Oberflächenemittern umfasst , die dann beispielsweise parallel zueinander verschaltet sind . Insbesondere ist die Eingangsspannung des Senders kleiner als die Ausgangsspannung des ersten Empfängers oder der weiteren Empfänger . Die Vorrichtung ist daher dazu eingerichtet , eine niedrige Eingangsspannung in eine hohe Ausgangsspannung umzuwandeln . Der erste Empfänger und gegebenenfalls die weiteren Empfänger können dazu eine Viel zahl von Fotodioden, beispielsweise mindestens 10 Fotodioden, insbesondere mindestens 50 oder mindestens 100 einzelne Fotodioden umfassen . Über die Anzahl der Fotodioden, die zueinander parallel geschaltet werden, kann die Ausgangsspannung auf einfache Weise eingestellt werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form der optoelektronischen Vorrichtung ist die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung und der Sender umfasst eine Viel zahl von Oberflächenemitter, die in Reihe miteinander verschaltet sind . Dabei ist es insbesondere möglich, dass die optoelektronische Vorrichtung mehr Oberflächenemitter als Fotodioden umfasst . Ferner ist es möglich, dass die Vorrichtung beim ersten Empfänger und gegebenenfalls den weiteren Empfängern eine Viel zahl von Fotodioden umfasst , die zumindest teilweise parallel miteinander verschaltet sind . Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, eine hohe Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung umzuwandeln .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form der optoelektronischen Vorrichtung umfasst der Sender zwei Reihenschaltungen von Oberflächenemittern, die antiparallel miteinander verschaltet sind . Auf diese Weise kann durch die Vorrichtung eine Wechselspannung in eine Gleichspannung trans formiert werden . Insbesondere kann eine hohe Wechselspannung in eine niedrigere , gegebenenfalls gepulste Gleichspannung trans formiert werden . Gemäß zumindest einer Aus führungs form der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die Vorrichtung weitere Empfänger, die dazu eingerichtet sind, einen Teil der elektromagnetischen Strahlung zu empfangen und einen Teil einer Ausgangsspannung zu liefern, wobei j eder weitere Empfänger zumindest eine Fotodiode umfasst . Insbesondere umfasst j eder weitere Empfänger eine Viel zahl von Fotodioden . Die einzelnen Empfänger der optoelektronischen Vorrichtung können dabei zum Beispiel gleich aufgebaut sein und j eweils eine gleiche Anzahl von Fotodioden umfassen . Je nachdem, ob die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung ist oder die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung ist , können die Fotodioden der einzelnen Empfänger entsprechend miteinander verschaltet sein . Zum Beispiel ist es möglich, dass die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung ist und die Fotodioden aller Empfänger in Reihe miteinander verschaltet sind .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen zweiten Empfänger, der an der Deckfläche des Trägers angeordnet ist . Das heißt , in dieser Aus führungs form ist der erste Empfänger an der Bodenfläche des Trägers angeordnet und der zweite Empfänger ist an der Deckfläche des Trägers angeordnet . Die Oberflächenemitter des Senders strahlen dann elektromagnetische Strahlung durch den Träger hindurch zum ersten Empfänger und vom Träger weg zum zweiten Empfänger .
Bei den Oberflächenemittern kann es sich dann insbesondere um beidseitig emittierende Oberflächenemitter handeln . Der zweite Empfänger kann in direktem Kontakt mit den Oberflächenemittern stehen . Ferner ist es möglich, dass der zweite Empfänger und der Sender beabstandet zueinander angeordnet sind . Dabei ist es möglich, dass eine mechanische Verbindung zwischen dem Sender und dem zweiten Empfänger besteht , die beispielsweise durch ein Gehäuse vermittelt sein kann .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form der optoelektronischen Vorrichtung sind ein dritter Empfänger und/oder ein vierter Empfänger und/oder ein fünfter und/oder ein sechster Empfänger seitlich des Senders angeordnet . Beispielsweise ist es möglich, dass der Sender zentral angeordnet ist . Unterhalb des Senders , an der Bodenfläche des Trägers , ist der erste Empfänger angeordnet , oberhalb des Trägers ist der zweite Empfänger angeordnet . Lateral neben dem Sender können dann der dritte und/oder der vierte Empfänger angeordnet sein . Der fünfte und der sechste Empfänger können vor und hinter dem Sender angeordnet sein .
Dabei ist es insbesondere möglich, dass ein Strahlteiler dem Sender an der Deckfläche und/oder der Bodenfläche des Trägers nachgeordnet ist . Mit diesem Strahlteiler ist es möglich, einen Teil der an der Deckfläche beziehungsweise der Bodenfläche emittierten elektromagnetischen Strahlung des Senders zum dritten und/oder vierten und/oder fünften und/oder sechsten Empfänger umzuleiten und einen Teil der elektromagnetischen Strahlung auf den ersten und/oder den zweiten Empfänger umzuleiten . Auf diese Weise können besonders viele Fotodioden durch einen einzigen Sender bestrahlt werden und ein besonders kompakter Aufbau der optoelektronischen Vorrichtung ist möglich .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form der optoelektronischen Vorrichtung steht der erste Empfänger in direktem Kontakt mit dem Träger . Auf diese Weise kann elektromagnetische Strahlung durch den Träger besonders ef fi zient zum ersten Empfänger gebracht werden und der Träger kann eine mechanisch tragende Komponente für die Fotodioden des ersten Empfängers darstellen . Dabei ist es möglich, dass die zumindest eine Fotodiode des ersten Empfängers an die Bodenfläche des Trägers gebondet ist . Das Bonden kann beispielsweise durch Direct Bonding erfolgen . Darüber hinaus ist es möglich, dass eine stof f schlüssige Verbindung zwischen dem Träger und den Fotodioden des ersten Empfängers durch ein Verbindungsmaterial , wie beispielsweise einen Klebstof f , gebildet ist . Dieses Verbindungsmaterial kann gleichzeitig als Lichtleiter zur Leitung der elektromagnetischen Strahlung von der Bodenfläche des Trägers zu einer Strahlungseintritts fläche der Fotodioden wirken .
Alternativ ist es möglich, dass die zumindest eine Fotodiode des ersten Empfängers an der Bodenfläche des Trägers epitaktisch aufgewachsen ist . In diesem Fall stellt der Träger ein Aufwachssubstrat für die Fotodioden des ersten Empfängers dar .
Dabei ist es insbesondere auch möglich, dass alternativ oder zusätzlich der zumindest eine Oberflächenemitter des Senders an der Deckfläche des Trägers epitaktisch auf gewachsen ist . Mit anderen Worten stellt der Träger dann ein Aufwachssubstrat für die Oberflächenemitter des Senders dar . Der Träger kann dann insbesondere auch ein Aufwachssubstrat für die Oberflächenemitter des Senders und die Fotodioden des ersten Empfängers darstellen . Dadurch ist ein besonders kompakter Aufbau der optoelektronischen Vorrichtung ermöglicht und elektromagnetische Strahlung kann besonders verlustfrei von den Oberflächenemittern zu den Fotodioden geleitet werden . Im Folgenden wird die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung anhand von Aus führungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert .
Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der Figuren 1 , 2 , 3 , 4 , 5 sind Aus führungsbeispiele von hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtungen näher erläutert .
Gleiche , gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugs zeichen versehen . Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten . Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein .
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der Figur 1 ist ein erstes Aus führungsbeispiel einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung näher erläutert .
Die optoelektronische Vorrichtung umfasst einen Sender 1 , der dazu eingerichtet ist , elektromagnetische Strahlung 2 zu emittieren . Dazu wird der Sender 1 mit einer Eingangsspannung UI betrieben .
Der Sender 1 umfasst einen Träger 7 , der eine Deckfläche 71 und eine Bodenfläche 72 aufweist . Ferner umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen ersten Empfänger 3 , der dazu eingerichtet ist , einen Teil der elektromagnetischen Strahlung 2 des Senders 1 zu empfangen und zumindest einen Teil der empfangenen Strahlung in elektrischen Strom umzuwandeln . Der erste Empfänger 3 liefert dabei einen Teil der Ausgangsspannung UO . Beim Aus führungsbeispiel der Figur 1 umfasst der Sender eine Viel zahl von Oberflächenemittern 10 , bei denen es sich beispielsweise j eweils um VCSEL-Chips handelt . Die Oberflächenemitter sind an der Deckfläche 71 des Trägers 7 befestigt . Zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strahlung 2 wird durch den Träger 7 abgestrahlt .
Der erste Empfänger 3 umfasst eine Viel zahl von Fotodioden 30 , die auf einen ersten Träger 31 aufgebracht sind und der Bodenfläche 72 des Trägers 7 zugewandt sind . Der erste Empfänger 3 ist dadurch an der Bodenfläche 72 des Trägers 7 angeordnet .
An der Deckfläche 71 des Trägers 7 ist ein zweiter Empfänger 4 mit einem zweiten Träger 41 für die Fotodioden 30 angeordnet . Die Fotodioden 30 des zweiten Empfängers 4 sind dabei den Oberflächenemittern 10 zugewandt . Auch die Fotodioden 30 des zweiten Empfängers 4 sind dazu eingerichtet , einen Teil der elektromagnetischen Strahlung 2 zu empfangen und einen Teil der Ausgangsspannung UO zu liefern . Beispielsweise ist es möglich, dass sämtliche Fotodioden 30 des ersten Empfängers 3 und des zweiten Empfängers 4 miteinander in Reihe verschaltet sind .
Der erste Empfänger 3 und der zweite Empfänger 4 können beispielsweise gleich aufgebaut sein . Der erste Empfänger 3 und der zweite Empfänger 4 sind dann zum Beispiel baugleich . Der Sender 1 , der erste Empfänger 3 und der zweite Empfänger 4 können in einem gemeinsamen Gehäuse 8 angeordnet sein, das mit einem elektrisch isolierenden Material , wie beispielsweise einem Gas oder einem transparenten Kunststof fmaterial , befüllt sein kann . Die Anzahl der Fotodioden 30 des ersten Empfängers 3 entspricht im Aus führungsbeispiel der Figur 1 der Anzahl der Oberflächenemitter und der Anzahl der Fotodioden 30 des zweiten Empfängers 4 .
Bei dem Sender 1 kann es sich beispielsweise um ein Array aus VCSEL handeln, welches VCSEL als Oberflächenemitter 10 umfasst , die die elektromagnetische Strahlung beidseitig, also von ihrer Oberseite und ihrer Unterseite her, abstrahlen .
Beim ersten Empfänger 3 und beim zweiten Empfänger 4 handelt es sich j eweils um ein Fotodiodenarray . Aufgrund des scharfen und symmetrischen Strahlprofils der elektromagnetischen Strahlung 2 der einzelnen Oberflächenemitter 10 beleuchtet j eder Oberflächenemitter 10 j eweils eine Fotodiode beider Empfänger . Die elektromagnetische Strahlung 2 , die zum zweiten Empfänger 4 gelangt , breitet sich durch das Material aus , mit dem das Gehäuse 8 befüllt ist . Die elektromagnetische Strahlung 2 , die zum ersten Empfänger 3 abgestrahlt wird, wird durch den Träger 7 abgestrahlt , der für die elektromagnetische Strahlung 2 transparent ausgebildet ist .
Der Oberflächenemitter 10 kann dabei einen beidseitig emittierenden VCSEL umfassen oder er umfasst eine doppelte Heterostruktur, die aus zwei direkt übereinander gewachsenen VCSEL besteht . Dabei kann j eder VCSEL-Teil einen entsprechenden Resonator mit zwei Spiegelpaaren, zum Beispiel DBR-Spiegeln, umfassen . Die VCSEL eines Oberflächenemitters 10 können dabei so gestaltet werden, dass sie bei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, wobei der obere VCSEL, der die elektromagnetische Strahlung 2 in Richtung des zweiten Empfängers 4 abstrahlt , zum Beispiel im Materialsystem GaAs gebildet sein kann . Vorteilhafterweise sind die Fotodioden 30 des zweiten Empfängers 4 dann ebenfalls im Materialsystem GaAs gebildet , wodurch die Absorption der Fotodioden 30 auf die elektromagnetische Strahlung 2 der Oberflächenemitter 1 abgestimmt ist .
Der untere VCSEL, der dem ersten Empfänger 3 zugewandt ist , kann dann beispielsweise im Materialsystem InGaAs gebildet sein . Beim Träger 7 kann es sich dann zum Beispiel um ein Aufwachssubstrat handeln, das aus GaAs besteht oder dieses enthält . Der erste Empfänger 3 umfasst Fotodioden 30 , die ebenfalls im Materialsystem InGaAs ausgebildet sind .
Diese Aus führungs form ist insbesondere aufgrund der erhöhten Ef fi zienz von GaAs-basierten Fotodioden vorteilhaft . Als weitere Vorteile ergibt sich bei dieser Aus führungs form, dass die Oberflächenemitter 10 kostengünstig sind und eine direkte Proj ektion der Emission der elektromagnetischen Strahlung 2 auf die Fotodioden 30 in zwei Richtungen erfolgen kann .
Dadurch ist eine höhere Ausgangsspannung UO bei einer kleinen Bauteilgröße möglich . Ferner ermöglicht der Aufbau einen Betrieb bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung 2 .
Nachteilig ist eine Streuung der elektromagnetischen Strahlung 2 im Träger 7 möglich . Ein Gehäuse 8 ist zur mechanischen Verbindung der Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung notwendig und die Fotodioden 30 des ersten Empfängers 1 müssen eine kleinere Bandlücke aufweisen, damit die elektromagnetische Strahlung 2 durch das GaAs-Substrat nicht absorbiert wird . Dafür sind Fotodioden im Materialsystem InGaAs oder Si notwendig, was zu Ef fi zienzverlusten führen kann .
In Verbindung mit dem Aus führungsbeispiel der Figur 2 ist eine optoelektronische Vorrichtung beschrieben, bei der im Unterschied zur Vorrichtung der Figur 1 ein direkter Kontakt zwischen dem ersten Empfänger 3 und dem Sender 1 besteht . Dazu sind die Fotodioden 30 des ersten Empfängers 3 an der Bodenfläche 72 an den Träger 7 zum Beispiel wafergebondet .
Der Träger 7 ist dazu elektrisch isolierend ausgebildet , um die hohen elektrischen Felder zu blockieren, die sich aus dem Potentialunterschied zwischen der Ausgangsspannung UO und der Eingangsspannung UI ergeben . Beispielsweise liegt die Ausgangsspannung UO dabei im Bereich von 1000 V und die Eingangsspannung liegt im Bereich von 3 V . Eine solche elektrische I solierung kann beispielsweise dadurch erreicht sein, dass der Träger 7 an seiner Bodenfläche 72 eine elektrisch isolierende Schicht umfasst , die zum Beispiel mit einer mehreren Mikrometer dicken SiN-Schicht gebildet sein kann . Beispielsweise beträgt die Dicke der Schicht zwischen wenigstens 2 und höchstens 3 pm pro 1000 V Potentialdi f f erenz zwischen der Eingangsspannung UI und der Ausgangsspannung UO .
Nachteilig ergibt sich bei dieser Aus führungs form, dass eine elektrische I solierung des Trägers 7 notwendig ist . Vorteilhaft ergibt sich eine erleichterte Justage zwischen den Oberflächenemittern 10 und den Fotodioden 30 des ersten Empfängers 3 sowie eine verringerte Größe insbesondere auch des Gehäuses 8 .
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der Figur 3 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung näher erläutert . Im Unterschied zum Aus führungsbeispiel der Figur 3 sind in diesem Aus führungsbeispiel auch die Fotodioden 30 des zweiten Empfängers 4 in direktem Kontakt mit dem Sender 1 .
Dazu können die Fotodioden 30 an den j eweils gegenüberliegenden Oberflächenemitter 10 , bei denen es sich beispielsweise um einen VCSEL-Chip handelt , gebondet sein . Dadurch ist j ede Fotodiode 30 auf die Apertur des Oberflächenemitters 10 ausgerichtet . Dies führt zu einer weiteren Verkleinerung der Vorrichtung, erfordert aber eine ausreichende elektrische I solierung zwischen den Oberflächenemittern 10 und den Fotodioden 30 , zum Beispiel eine wie zur Figur 2 beschriebene dielektrische Schicht .
Als vorteilhaft erweist sich, dass eine Ausrichtung der beiden Empfänger 3 , 4 und des Senders 1 auf Waferebene erfolgen kann . Dadurch ist keine Justage beim Einbringen in ein Gehäuse 8 notwendig, was den Aufwand für die Herstellung weiter reduziert . Als nachteilig kann sich ergeben, dass eine elektrische I solierung zwischen den Oberflächenemittern 10 und den Fotodioden 30 des zweiten Empfängers 4 notwendig ist und eine Verschaltung der einzelnen Oberflächenemitter 10 sowie der einzelnen Fotodioden 30 des zweiten Empfängers 2 im Vergleich zum Aus führungsbeispiel der Figur 2 verkompli ziert ist .
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der Figur 4 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel einer hier beschriebenen Vorrichtung näher erläutert . Im Unterschied zu den vorangegangenen Aus führungsbeispielen sind die Fotodioden 30 des ersten Empfängers 3 im Aus führungsbeispiel der Figur 4 epitaktisch auf den Träger 7 aufgebracht . Ferner ist es möglich, dass auch die Oberflächenemitter 10 auf den Träger 7 epitaktisch aufgewachsen sind . Im Aus führungsbeispiel der Figur 4 ist dabei nur ein Empfänger 3 vorhanden . Es ist j edoch möglich, weitere Empfänger zu ergänzen, wie dies beispielsweise in Verbindung mit den Aus führungsbeispielen der Figuren 1 bis 3 und 5 gezeigt ist .
Die Oberflächenemitter 10 werden beispielsweise zunächst auf die Deckfläche 71 des Trägers 7 epitaktisch auf gewachsen . Die Bodenfläche 72 des Trägers 7 , auf der später die Fotodioden 30 epitaktisch abgeschieden werden, kann währenddessen durch eine erste Opferschicht , die zum Beispiel mit SiOg gebildet ist , geschützt sein . Die Opferschicht wird vor dem Aufwachsen der Fotodioden 30 entfernt , die nach dem Aufwachsen durch eine weitere Opfer- und Schutzschicht abgedeckt werden können .
Die Oberflächenemitter 10 können während dem Aufwachsen der Fotodioden 30 durch eine Opferschicht , die beispielsweise mit InGaP oder AlGaAs mit hohem Aluminiumgehalt gebildet ist , geschützt sein . Die Bearbeitung der Oberflächenemitter 10 und der Fotodioden 30 nach dem Aufwachsen erfolgt von beiden Seiten des Trägers 7 her . Um die Strompfade für die Oberflächenemitter 10 und die Fotodioden 30 elektrisch voneinander zu isolieren, ist es vorteilhaft , einen epitaktisch hergestellten I solator zwischen den Träger 7 und die Fotodioden 30 einzubringen, der beispielsweise durch eine hochaluminiumhaltige AlGaAs-Oxidationsschicht oder ein Ubergitter mit einer Dicke von wenigstens 2 , 5 pm für eine Potentialdi f f erenz von 1000 V gebildet sein kann . Mit Vorteil ergibt sich eine besonders kompakte Vorrichtung, bei der kein Waferbonden notwendig ist . Ferner ergeben sich bei der Herstellung besonders geringe Materialkosten, da lediglich ein einziges Aufwachssubstrat - der Träger 7 - Verwendung findet . Bei der Herstellung ist j edoch eine besonders sorgfältige Handhabung des Trägers 7 notwendig, da das epitaktische Wachstum auf beiden Seiten des Trägers statt findet .
In Verbindung mit der Figur 5 ist anhand einer schematischen Schnittdarstellung ein weiteres Aus führungsbeispiel einer hier beschriebenen Vorrichtung näher erläutert . Im Unterschied beispielsweise zum Aus führungsbeispiel der Figur 1 umfasst die Vorrichtung einen dritten Empfänger 5 mit einem dritten Träger 51 für die Fotodioden 30 und einen vierten Empfänger 6 mit einem vierten Träger 61 für die Fotodioden 30 , die j eweils seitlich zum Sender 1 angeordnet sind .
Dazu sind Strahlteiler 9 in das Gehäuse 8 eingebracht , die j eweils zwischen dem Sender 1 und dem ersten Empfänger 3 sowie dem zweiten Empfänger 4 angeordnet sind . Die Strahlteiler lenken die elektromagnetische Strahlung der Oberflächenemitter 10 in verschiedene Richtungen, zum Beispiel um 90 ° , um . Die Strahlteiler 9 können zum Beispiel pyramidenförmig ausgebildet sein
Die Vorrichtung kann weitere nicht dargestellte Empfänger, zum Beispiel einen fünften Empfänger und einen sechsten Empfänger, umfassen, die vor und hinter dem Sender 1 angeordnet sind . Sämtliche Fotodioden 30 aller Empfänger können in Reihe geschaltet werden . Zur mechanischen Stabilisierung der Vorrichtung kann der Freiraum zwischen den Komponenten der Vorrichtung im Gehäuse 8 mit einem transparenten isolierenden Material , wie beispielsweise einem Kunststof f wie Silikon und/oder einem Epoxidharz , gefüllt werden . Vorteilhaft ergibt sich, dass eine Proj ektion der Emission auf Fotodioden 30 in bis zu sechs Richtungen erfolgen kann, was bei gleicher Zahl von Fotodioden 30 ein besonders kompaktes Bauteil liefert . Dabei sind hohe Spannungen bei kleiner Baugröße möglich und wie zu Figur 1 beschrieben ist auch der Betrieb bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen ermöglicht . Nachteilig ergibt sich eine aufwendige Justage im Gehäuse 8 .
Insgesamt ermöglicht eine hier beschriebene Vorrichtung große Unterschiede zwischen der Eingangsspannung UI und der Ausgangsspannung UO bei besonders geringer Bauteilgröße . Bei den Bauteilen kommen Oberflächenemitter 10 zum Einsatz , die einen Teil ihrer Strahlung durch den Träger 7 abstrahlen . Dazu ist der Träger 7 transparent für die im Oberflächenemitter 10 erzeugte Strahlung ausgebildet , was beispielsweise für einen Oberflächenemitter im Materialsystem InGaAs auf einem GaAs-Substrat oder einem InGaN-basierten Oberflächenemitter auf einem GaN/Saphirsubstrat möglich ist .
Kommt als Oberflächenemitter beispielsweise ein Emitter im Materialsystem InGaAlP zum Einsatz , der auf GaAs als Aufwachssubstrat aufgewachsen wird, so ist dieses Aufwachssubstrat nicht transparent für die erzeugte elektromagnetische Strahlung . In diesem Fall kann das Aufwachssubstrat abgelöst und durch einen transparenten Träger 7 ersetzt werden . Aus Ef fi zienzgründen sollte der Raum zwischen benachbarten Fotodioden 30 nicht beleuchtet werden, da diese Strahlung 2 sonst nicht zur Spannungsumwandlung beitragen würde . Die Aufteilung der elektromagnetischen Strahlung 2 der Oberflächenemitter auf mehrere Empfänger erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Verwendung von Hochleistungs-VCSEL als Oberflächenemitter 10 , da für diese die optische Leistung eines Oberflächenemitters 10 die erforderliche Intensität zur Sättigung einer Fotodiode 30 übersteigen würde . Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Aus führungsbeispiele auf diese beschränkt . Vielmehr umfasst die Erfindung j edes neue Merkmal sowie j ede Kombination von Merkmalen, was insbesondere j ede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet , auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht expli zit in den Patentansprüchen oder Aus führungsbeispielen angegeben ist .
Bezugs zeichenliste
1 Sender
2 elektromagnetische Strahlung
3 erster Empfänger
4 zweiter Empfänger
5 dritter Empfänger
6 vierter Empfänger
7 Träger
8 Gehäuse
9 Strahlungsteiler
10 Oberflächenemitter
31 erster Träger
41 zweiter Träger
51 dritter Träger
61 vierter Träger
71 Deckfläche
72 Bodenfläche
UO Ausgangsspannung
UI Eingangsspannung

Claims

24 Patentansprüche
1. Optoelektronische Vorrichtung mit einem Sender (1) , der dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung (2) zu emittieren und mit einer Eingangsspannung (UI) betrieben zu werden, einem Träger (7) für den Sender (1) , der eine Deckfläche (71) und eine Bodenfläche (72) aufweist, einem ersten Empfänger (3) , der dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung (2) zu empfangen und zumindest einen Teil einer Ausgangsspannung (UO) zu liefern, wobei der Sender (1) zumindest einen Oberflächenemitter (10) umfasst, der zumindest eine Oberflächenemitter (10) des Senders
(1) an der Deckfläche (71) des Trägers (7) befestigt ist und zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung (2) durch den Träger (71) abstrahlt, der erste Empfänger (3) zumindest eine Fotodiode (30) umfasst, und der erste Empfänger (3) an der Bodenfläche (72) des Trägers (7) angeordnet ist.
2. Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der die Eingangsspannung (UI) kleiner als die Ausgangsspannung (UO) ist und der erste Empfänger (3) eine Vielzahl von Fotodioden (30) umfasst, die in Reihe miteinander verschaltet sind.
3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Eingangsspannung (UI) größer als die Ausgangsspannung (UO) ist und der Sender (1) eine Vielzahl von Oberflächenemitter (10) umfasst, die in Reihe miteinander verschaltet sind.
4. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche mit weiteren Empfängern (4, 5, 6) , die dazu eingerichtet sind, einen Teil der elektromagnetischen Strahlung (2) zu empfangen und einen Teil einer Ausgangsspannung (UO) zu liefern, wobei jeder weitere Empfänger (4, 5, 6) zumindest eine Fotodiode (30) umfasst.
5. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem zweiten Empfänger (4) , der an der Deckfläche (71) des Trägers (7) angeordnet ist.
6. Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der der Sender (1) und der zweite Empfänger (5) in direktem Kontakt miteinander stehen.
7. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem dritten Empfänger (5) und/oder einem vierten Empfänger (6) und/oder einem fünften Empfänger und/oder einem sechsten Empfänger, die seitlich des Senders (1) angeordnet sind.
8. Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der ein Strahlungsteiler (9) dem Sender an der Deckfläche (71) und/oder der Bodenfläche (72) des Trägers (7) nachgeordnet ist.
9. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen
Ansprüche, bei der der erste Empfänger (3) in direkten Kontakt mit dem Träger (7) steht.
10. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die zumindest eine Fotodiode (30) des ersten Empfängers (3) an die Bodenfläche (72) des Trägers (7) gebondet ist.
11. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die zumindest eine Fotodiode (30) des ersten Empfängers (3) an der Bodenfläche (72) des Trägers (7) epitaktisch auf gewachsen ist.
12. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der zumindest eine Oberflächenemitter (10) des
Senders (1) an der Deckfläche (71) des Trägers (7) epitaktisch auf gewachsen ist.
13. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die zumindest eine Fotodiode (30) des ersten Empfängers (3) an der Bodenfläche (72) des Trägers (7) epitaktisch aufgewachsen ist und der zumindest eine Oberflächenemitter (10) des Senders (1) an der Deckfläche (71) des Trägers (7) epitaktisch aufgewachsen ist.
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