TWI849531B

TWI849531B - 光電裝置

Info

Publication number: TWI849531B
Application number: TW111139029A
Authority: TW
Inventors: 旦森法革賽; 阿瓦羅高梅茲伊格雷西亞; 馬丁黑佐
Original assignee: 德商歐斯朗奧托半導體股份有限公司
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2022-10-14
Publication date: 2024-07-21
Also published as: TW202333428A; US20240421558A1; DE112022003432T5; CN118103995A; WO2023061659A1

Abstract

詳細說明一種光電裝置，包含：發射器(1)，每個發射器(1)係構造成發射電磁輻射(2)，用於每個發射器(1)的一指派接收器(3)，係構造成接收由該發射器(1)所發射的該電磁輻射(2)的至少一部分，其中該等發射器(1)係構造成以一輸入電壓(UI)操作，每個接收器(3)係構造成提供一輸出電壓(UO)的至少一部分，每個發射器(1)係實體地連接到該指派接收器(3)。

Description

光電裝置

此處詳細說明一種光電裝置。

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，尤其該光電裝置包含複數個發射器。每個發射器係構造成發射電磁輻射。另外，發射器適於以輸入電壓來操作。例如，每個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，每個發射器可以構造成在操作期間產生從至少250nm到至多1600nm的波長範圍內的電磁輻射。

根據光電裝置的至少一個態樣，該光電裝置包含接收器，尤其是複數個接收器。每個接收器係指派給複數個發射器中的一個發射器且可以在此處指定且在下述中作為「指派接收器」。例如，發射器的數量等於接收器的數量。

每個指派接收器係構造成接收指派發射器的電磁輻射且提供光電裝置的輸出電壓的一部分。尤其，指派接收器係構造成接收在操作期間由發射器發射的電磁輻射且將其至少部分地轉換成電能。尤其，指派接收器可以調諧到發射器，使得指派接收器對由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，每個發射器係實體地連接到指派接收器。也就是說，例如對於每個發射器，恰好有一個指派接收器，且發射器及指派接收器係實體地彼此連接。例如，發射器及指派接收器彼此直接實體接觸是可行的。另外，在發射器及指派接收器之間配置至少一個元件是可行的，例如層。此層調節發射器及指派接收器之間的接合，使得光電裝置的兩個元件係彼此實體地連接。

根據光電裝置的至少一個態樣，該光電裝置包含：發射器，每個發射器係構造成發射電磁輻射，用於每個發射器的一指派接收器，係構造成接收由該發射器所發射的該電磁輻射的至少一部分，其中該等發射器係構造成以一輸入電壓操作，每個接收器係構造成提供一輸出電壓的至少一部分，每個發射器係實體地連接到該指派接收器。

根據光電裝置的至少一個態樣，每個發射器包含至少一個表面發射器。在本文中，表面發射器係理解為意謂輻射發射組件，其發射在操作期間與安裝面橫向地、尤其是與安裝面垂直地所產生的電磁輻射，在安裝面上係安裝有輻射發射組件。尤其，表面發射器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平行於半導體本體的生長方向。例如，半導體本體可以基於諸如(Al)InGaN、In(Ga)AlP、InGa(As)P、InGa(Al)As、(Al)GaAs及(In)GaAs的半導體材料。

表面發射器可以是例如發光二極體、雷射二極體、超發光二極體或VCSEL。在本文中，每個發射器可以包含恰好一個表面發射器或複數個表面發射器，其可以彼此串聯地連接及/或並聯地連接。

根據光電裝置的至少一個態樣，每個接收器包含至少一個光二極體。光二極體可以包含具有至少一個主動區或偵測區的半導體本體，該至少一個主動區或偵測區係構造成吸收在操作期間由至少一個表面發射器產生的電磁輻射且將其轉換成電能。例如，可以以與至少一個表面發射器相同的材料系統形成至少一個光二極體。尤其，接收器可以包含可以串聯地連接或並聯地連接在一起的複數個光二極體。

除了別的以外，此處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，需要具有相對低功率損耗的高壓電源。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、成本及功率損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，它們應該是電流分離的，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的修改，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，利用對本裝置的修改，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流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。例如，修改可以是裝置中所使用的電路及/或材料系統的改變。

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而作用，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流隔離。

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250nm及1600nm之間，其依據所使用的半導體材料而定，例如：(Al)InGaN、In(Ga)AlP、InGa(As)P、InGa(Al)As、(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，其與低電壓側電流地隔離，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，每個光二極體產生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。

根據光電裝置的至少一個態樣，每個發射器及指派接收器係彼此單體地整合。例如，每個發射器包含外延生長的半導體本體。如果發射器及指派接收器係單體地整合的，則接收器外延地生長到發射器的半導體本體上，且反之亦然。藉此，在發射器及指派接收器之間配置至少一個另外的外延生長絕緣層是可行的。在此情況下，發射器及指派接收器在外延生產過程之期間係彼此連接。例如，發射器在一個晶圓中一起生長，且接收器之後生長在相同晶圓中的發射器上，是可行的。此允許光電半導體裝置的特別成本節省的生產。

根據光電裝置的至少一個態樣，每個發射器及指派接收器係彼此接合。在此情況下，發射器及接收器不是彼此外延地生長到其上，而是它們彼此接合，例如藉由使用配置在每個發射器及指派接收器之間的接合層或藉由直接接合。此種接合層也可以作用成發射器及指派接收器之間的電絕緣分離層。對於此種裝置，與發射器及指派接收器係單體地整合的情況相比，可以更獨立於發射器的材料系統來選擇指派接收器的材料系統。

根據光電裝置的一個態樣，每個發射器包含一載體，且該指派接收器係配置在每個發射器中背離載體的一側。例如，載體可以是發射器的生長基板。此外，載體係由連接載體形成是可行的，例如電路板，發射器可以經由該連接載體電接觸。在載體是生長基板之情況下，載體在發射器的側邊是導電的更是可行的。以此方式，發射器例如經由載體或經由載體上的結構並聯地連接是可行的。也就是說，載體可以是光電裝置的兩個、多個或所有的發射器的共用載體。另外，每個發射器包含其自身的載體，該載體不同於其餘發射器的載體，是可行的。

根據光電裝置的一個態樣，一電絕緣分離層係配置在每個發射器及該指派接收器之間。尤其，在輸入電壓低於輸出電壓之情況下，接收器及發射器之間可能存在很大的電位差。例如，電位差可以是1000V或更高。對於1000V的電位差及1μm的電絕緣分離層的厚度，電場的場強度係為1GV/m。

根據光電裝置的一個態樣，該電絕緣分離層具有比鄰接該電絕緣分離層的相鄰層更大的帶隙。以此方式，電絕緣分離層可以承受所敘述的高電場強度。另外，此種電絕緣分離層不僅防止載流從發射器跨越到接收器，而且防止由發射器所產生的電磁輻射的吸收。例如，電絕緣分離層可以由具有x

0.9的Al_xGaAs、GaAs、二氧化矽、氮化矽，尤其是濺射的氮化矽，及/或金剛石或類金剛石碳膜來形成。可以側向地氧化利用Al_xGaAs形成的電絕緣分離層，或者可以在生長發射器及指派接收器之間佈植及退火諸如鐵的補償摻雜劑。

根據光電裝置的至少一個態樣，該裝置更包含：用於每個接收器的一指派旁通二極體，其中該指派旁通二極體係反並聯地連接到該接收器。此種旁通二極體例如可以用於將未照射的接收器分流。以此方式，與不工作或未操作的發射器實體地連接的接收器不會因變成反向偏置而損壞，但電流可以流過反並聯地連接的旁通二極體。

根據光電裝置的至少一個態樣，該旁通二極體及該指派接收器係彼此實體地連接。藉此，例如旁通二極體及指派接收器係彼此單體地整合或彼此接合是可行的。此處，單體整合又意謂著旁通二極體可以外延地生長到指派接收器上。例如，光電裝置接著包含複數個組件，其中每個組件包含發射器、實體地連接到發射器的指派接收器、及實體地連接到指派接收器的指派旁通二極體。例如，指派接收器係配置在發射器的頂部上，且旁通二極體係配置在指派接收器的頂部上，在接收器中背離發射器的一側。

根據光電裝置的至少一個態樣，所有發射器係構造成可彼此獨立地操作。也就是說，例如所有發射器可以彼此獨立地切換，使得每個發射器可以操作或不操作。以此方式，例如可以關閉缺陷發射器或控制光電裝置的輸出電壓。

根據光電裝置的一個態樣，所有接收器係構造成可彼此獨立地操作。也就是說，每個接收器可以獨立地切換為操作或不操作。藉此，例如開啟及關閉成對的發射器及指派接收器，且因此控制輸入電壓及輸出電壓，是可行的。

根據光電裝置的至少一個態樣，該指派接收器係構造成在未操作該發射器時被旁通。例如，每個指派接收器被指派給一個開關，當未操作指派接收器時，該開關將指派接收器旁通。例如，此種開關可以包含與指派接收器並聯地連接的電晶體或是由其組成。另外，旁通二極體可以反並聯地連接到接收器，作為當指派接收器無意地未操作時，例如在發射器不工作之情況下的故障保護。

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，且經操作的發射器的該指派接收器係串聯地連接。也就是說，指派接收器僅對被操作的該等發射器串聯地連接，例如藉由針對每個並聯地連接的接收器使用一個開關，以在發射器被有意地關閉之情況下將接收器旁通。

1:發射器

11:發射器的第一接點

12:發射器的第二接點

13:發射器的主動區

14:第一鏡

15:第二鏡

2:電磁輻射

3:接收器

31:接收器的第一接點

32:接收器的第二接點

33:接收器的主動區

4:載體

5:電絕緣分離層

6:電絕緣覆蓋層

7:電絕緣基底層

8:旁通二極體

9:發射器開關

10:接收器開關

E:電場

UI:輸入電壓

UO:輸出電壓

r_x:列數x

c_x:行數x

圖1以示意性截面圖之方式來顯示此處敘述的光電裝置的一部分；圖2以示意性頂視圖之方式來顯示一對發射器及指派接收器；圖3以示意圖之方式來顯示用於此處敘述的光電裝置的另一實施例的一對發射器及指派接收器；圖4以示意圖之方式來顯示圖3中所示的光電裝置的實施例的問題；圖5A及圖5B以示意圖之方式來顯示此處敘述的光電裝置的另一個實施例；圖6顯示此處敘述的光電裝置的實施例，其中所有發射器係構造成可彼此獨立地操作；圖7A至7C以示意圖之方式來顯示此處敘述的裝置的另一個實施例。

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、3、4、5A、5B、6、7A、7B及7C的示意圖，更詳細地說明此處敘述的光電裝置的實施例。

圖1以示意性截面圖之方式來顯示此處敘述的光電裝置的一部分。

在例示性實施例及附圖中，類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係顯示一對發射器1及指派接收器3。例如，發射器1外延地生長在載體4上。在此情況下，載體4可以是導電基板，例如n型導電的基板。然而，將生長基板從發射器1移除，且載體4係為接合至發射器的基板或是與發射器1連接的電路板，也是可行的。

發射器1包含配置在n型導電及p型導電半導體層之間的主動區13。在主動區13的兩側上，配置有鏡14、15。第一鏡14係鄰接發射器1的第一接點11，發射器1經由該第一接點11例如從其n型側接觸。第二鏡15配置在例如發射器1的p型側，經由第二接點12與其接觸，例如至少部分地圍繞第二鏡15。第一鏡及第二鏡例如各自包含具有交替折射率的複數個層。以此方式，兩個鏡例如可以由導電分佈式布拉格反射鏡形成。

在發射器1中背離載體4的一側，配置有指派接收器3。例如，接收器3外延地生長在發射器1上。在此情況下，接收器及發射器1係彼此單體地整合。然而，發射器1及接收器3彼此接合也是可行的，例如藉由高介電強度接合材料，如二氧化矽或氮化矽。在每個情況下，電絕緣分離層5係配置在發射器1及接收器3之間。另外，發射器1及指派接收器3係彼此實體地連接。在接合發射器及接收器的此情況下，可以結合電隔離鏡。

接收器3包含主動區33，其構造成接收在操作期間由發射器1所產生的輻射2。接收器3將輻射2的一部分轉換成電能。接收器3包含第一接點31及第二接點32。在所示實施例中，第一接點31例如是n型導電的且第二接點32是p型導電的。該對發射器1及接收器3可以藉由電絕緣覆蓋層6鈍化，例如，至少覆蓋發射器1及指派接收器3的裝置側表面及頂表面的一部分。

在圖1的實施例中，發射器1例如是VCSEL，且接收器3係為光二極體或包含至少一個光二極體。

例如在蝕刻接收器及發射器的半導體層之後，形成接點31及12。例如，將接收器3的半導體層蝕刻到n型接觸層，且形成n型接點31。之後將發射器1的半導體層蝕刻到發射器1的p型接觸層且形成p型接點12。另外，之後將層蝕刻到載體4以便形成發射器1的n型接點是可行的，例如接點11。

此處敘述的光電裝置包含複數對發射器1及接收器3，如圖1所示。在這些對中，發射器1例如與應該操作的選定數量的發射器並聯地連接。接著，接收器3例如彼此串聯地連接。此在圖2的示意性頂視圖中顯示，圖2係顯示一對發射器1及指派接收器3，其中接收器3的第一接點31可以連接到相鄰對的發射器1及指派接收器3的第二接點32。發射器係以輸入電壓UI來驅動，且從接收器3獲得輸出電壓UO。

圖3的示意圖係顯示用於此處敘述的光電裝置的另一實施例的一對發射器1及指派接收器3。在此實施例中，發射器1的接點11、12位於載體4及發射器1的其餘層之間。藉由此，發射器及接收器3的更佳的電分離是可行的。例如，電絕緣基底層7係配置在載體4及發射器1之間。在此電絕緣基底層7中可以埋入發射器1的第一接點11及第二接點12。

結合圖4的示意圖，說明圖3中所示的光電裝置的實施例的問題。在該裝置的輸入電壓UI低於該裝置的輸出電壓UO之情況下，在接收器3處可能存在大電位，而發射器1具有低電位。由此可以產生強電場E，其導致電荷載流的洩漏，如電子的洩漏。

因此，電絕緣分離層5證明有利於發射器1及指派接收器3之間的分離。另外，電絕緣分離層5應該具有比接收器3及發射器1的周圍層更大的帶隙，以便使得從發射器1經由電絕緣分離層5輻射到接收器3中的電磁輻射2是透射的，且以便防止電荷載流從發射器1遷移到接收器3。例如，電絕緣分離層5可以由具有x

0.9的Al_xGaAs、GaAs、二氧化矽、氮化矽，尤其是濺射的氮化矽，及/或金剛石或類金剛石碳膜來形成。

此處敘述的光電裝置尤其具有以下優點：發射器1及接收器3可以完美地彼此對準，使得電磁輻射2從發射器1到接收器3的最大耦接是可行的。另外，發射器1及接收器3可以一起設計成共享模式，亦即駐電磁波，它使接收器中電磁輻射2的吸收最佳化。發射器1及接收器3可以是多接面及可選的多波長裝置，允許更高的電壓及/或更高的電流。

在每對發射器及指派接收器中的接收器1及發射器3係彼此接合之情況下，可以使用電絕緣分離層5作為接合層且以該層具有高擊穿強度的方式選擇。另外，與單體地整合的該對發射器1及指派接收器3相比，用於形成發射器1及指派接收器3的半導體材料可以更自由地選擇。然而，接合發射器及接收器的生產成本可能高於單體方法的成本，在單體方法中發射器及指派接收器係彼此外延生長到其上。

結合圖5A及圖5B的示意圖，係討論此處敘述的光電裝置的另一個實施例。與圖3的實施例相比，該對發射器1及接收器3更包含旁通二極體8。旁通二極體8可以例如與接收器3單體地整合或接合到接收器3。旁通二極體8包含與接收器3的pn型接面反並聯地連接的pn型接面，也參見圖5B。在接收器3未被發射器1照射之情況下，旁通二極體8可以將接收器3分流。例如，以此方式，耦接到不工作或未操作的發射器1的接收器3不會因變成反向偏置而損壞。

旁通二極體8及接收器3之間的連接可以例如由接收器的接點31及32建立，如圖5A及5B所示。

結合圖6係說明此處敘述的光電裝置的實施例，其中所有發射器1係構造成可彼此獨立地操作。在此實施例中，發射器1係並聯地連接。注入在每個發射器1中的電流係由開關9控制，其中每個發射器係指派有其自身的開關9。例如，每個開關9包含p型通道MOSFET且p型通道MOSFET係由閘極電壓控制。並聯地連接的發射器係以裝置的輸入電壓UI操作。

用於發射器1的此種支持電路可以在晶片級整合。因此，另外的中介層或主動CMOS晶圓是可行的。開啟的發射器1的數量可以利用發射器連接電路的適當設計來改變，例如使用如圖6的實施例中所示的開關9。接收器3的相對應電路，其接著串聯地連接，可以使用於移除未被指派發射器1照射的接收器3，例如當發射器1關閉時。接著發射器1及接收器3可以類似於主動矩陣顯示器的像素來操作。

結合圖7A至7C的示意圖，係說明此處敘述的裝置的另一個實施例。在此實施例中，存在發射器1的二維配置，且分離成列r及行c的兩個單獨的金屬化網格允許藉由將電壓施加到適當的行c及列r來接觸個別的或成組的發射器1。此在圖7B的三維視圖中更詳細地顯示，從該圖可以清楚地看出，開關9、例如電晶體，係切換每個個別的列或行。

由於發射器1及接收器3係一對一指派，如果發射器1關閉，則必須將相對應的接收器3旁通以避免電壓損失。例如，可以如圖7C的示意圖所示來完成，其中用於接收器3的開關10、例如電晶體，係並聯地連接以在發射器1有意地關閉的情況下將接收器旁通。作為當在發射器1無意地關閉的情況下的故障保險，例如結合圖5A及5B說明的旁通二極體8可以反並聯地連接到接收器3。

本專利申請案係主張德國專利申請案第102021126781.1號的優先權，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。