HAIBERGER LUCA (DE)
WO2017080869A1 | 2017-05-18 |
US20160013223A1 | 2016-01-14 | |||
JP2005156549A | 2005-06-16 | |||
US7604981B1 | 2009-10-20 | |||
EP1670105A1 | 2006-06-14 | |||
US20170356982A1 | 2017-12-14 | |||
US20130327931A1 | 2013-12-12 | |||
US20160061653A1 | 2016-03-03 | |||
DE102018125050A | 2018-10-10 |
Patentansprüche 1. Optoelektronischer Sensor (1), umfassend: - einen strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2), - einen strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich (3) , - einen ersten Polarisationsfilter (4), der über dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2) angeordnet ist und eine erste Polarisationsrichtung aufweist, - einen zweiten Polarisationsfilter (5) , der über dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich (3) angeordnet ist und eine zweite Polarisationsrichtung aufweist, wobei die erste Polarisationsrichtung und die zweite Polarisationsrichtung senkrecht zueinander sind, wobei eine strahlungsreflektierende oder strahlungsabsorbierende Schicht (8) auf Seitenflanken des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs (2) und/oder des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs (3) und/oder des ersten Polarisationsfilters (4) und/oder des zweiten Polarisationsfilters (5) aufgebracht ist. 2. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, wobei der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) seitlich neben dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2) angeordnet ist. 3. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der strahlungsemittierende Halbleiterbereich (2) und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) auf einem gemeinsamen Träger (6) angeordnet sind. 4. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der strahlungsemittierende Halbleiterbereich (2) und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) monolithisch integriert sind. 5. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich (2) und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich (3) weniger als 150 ym beträgt. 6. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Polarisationsfilter (4) und/oder der zweite Polarisationsfilter (5) ein absorbierender Polarisationsfilter ist. 7. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Polarisationsfilter (4) und/oder der zweite Polarisationsfilter (5) ein reflektierender Polarisationsfilter ist. 8. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der strahlungsemittierende Halbleiterbereich (2) und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) in seitlicher Richtung von einer Kunststoff-Formmasse (9) umgeben sind. 9. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Polarisationsfilter (4) und/oder der zweite Polarisationsfilter (5) in seitlicher Richtung von einer Kunststoff-Formmasse (9) umgeben sind. 10. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Kunststoff-Formmasse (9) strahlungsabsorbierende oder strahlungsreflektierende Partikel enthält. 11. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optoelektronische Sensor (1) ein oberflächenmontierbares Bauelement ist. 12. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der strahlungsemittierende Halbleiterbereich (2) zur Emission von Infrarotstrahlung geeignet ist und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich (3) zur Detektion von Infrarotstrahlung geeignet ist. 13. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optoelektronische Sensor (1) zur Messung von mindestens einem Vitalparameter eingerichtet ist. 14. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optoelektronische Sensor (1) Bestandteil eines tragbaren Geräts ist. |
OPTOELEKTRONISCHER SENSOR
Die Anmeldung betrifft einen optoelektronischen Sensor, insbesondere einen optoelektronischen Sensor zur Messung eines Vitalparameters in einem tragbaren Gerät.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2018 125 050.9, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Überwachung von Vitalparametern mittels eines
optoelektronischen Sensors in einem tragbaren Gerät, zum Beispiel in einer Sportuhr, erfordert einen besonders kompakten Sensor mit hoher Empfindlichkeit.
Eine zu lösende Aufgabe besteht somit darin, einen
optoelektronischen Sensor anzugeben, der sich durch einen kompakten Aufbau und ein hohe Empfindlichkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung umfasst der
optoelektronische Sensor einen strahlungsemittierenden
Halbleiterbereich und einen strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich. Der strahlungsemittierende
Halbleiterbereich weist insbesondere eine zur Emission von Strahlung geeignete aktive Schicht auf. Die aktive Schicht kann zum Beispiel als pn-Übergang, als Doppelheterostruktur, als Einfach-QuantentopfStruktur oder Mehrfach- QuantentopfStruktur ausgebildet sein. Die Bezeichnung
QuantentopfStruktur umfasst dabei jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement) eine
Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung QuantentopfStruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich weist
insbesondere eine zur Detektion von Strahlung geeignete aktive Schicht auf, beispielsweise eine Fotodiode oder eine andere zur Detektion von Strahlung geeignete
Halbleiterschichtenfolge .
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung umfasst der
optoelektronische Sensor einen ersten Polarisationsfilter, der über dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich angeordnet ist, und einen zweiten Polarisationsfilter, der über dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich
angeordnet ist. Der erste Polarisationsfilter kann
insbesondere direkt auf einer Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs angeordnet sein.
In analoger Weise kann der zweite Polarisationsfilter direkt auf der Strahlungseintrittsfläche des
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs angeordnet sein. Die Anordnung der Polarisationsfilter direkt auf den
Halbleiterbereichen, beispielsweise in Form einer Schicht oder einer Schichtenfolge, trägt vorteilhaft zu einem
kompakten Aufbau des optoelektronischen Sensors bei. Der erste Polarisationsfilter weist eine erste
Polarisationsrichtung und der zweite Polarisationsfilter weist eine zweite Polarisationsrichtung auf. Hierbei ist die erste Polarisationsrichtung von der zweiten
Polarisationsrichtung verschieden, insbesondere sind die erste Polarisationsrichtung und die zweite
Polarisationsrichtung senkrecht zueinander. Beispielsweise erzeugt der erste Polarisationsfilter, der über dem
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich angeordnet ist, linear polarisierte Strahlung mit der ersten
Polarisationsrichtung und der zweite Polarisationsfilter, der über dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich
angeordnet ist, linear polarisierte Strahlung mit einer zweiten Polarisationsrichtung, die senkrecht zu der ersten Polarisationsrichtung ist. Der erste und zweite
Polarisationsfilter bilden mit anderen Worten gekreuzte
Polarisatoren aus.
Dadurch, dass der erste und zweite Polarisationsfilter senkrecht zueinander orientierte Polarisationsrichtungen aufweisen, wird vorteilhaft erreicht, dass die von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich emittierte
Strahlung mit einer Polarisationsrichtung aus dem
optoelektronischen Sensor austritt, für die der zweite
Polarisationsfilter über dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich im Wesentlichen undurchlässig ist.
Die von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich
emittierte Strahlung ist insbesondere als Anregungslicht zur Messung eines Vitalparameters vorgesehen. Die emittierte Strahlung kann von einem Körperbereich, beispielsweise Gewebe oder Blutgefäßen, zumindest teilweise absorbiert und/oder reflektiert werden. Der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich ist insbesondere dazu vorgesehen, die von dem Körperbereich infolge der Anregung emittierte Strahlung zu detektieren. Die detektierte Strahlung kann insbesondere dazu verwendet werden, einen oder mehrere Vitalparameter wie beispielsweise den Blutdruck und/oder Herzfrequenz zu
detektieren. Die detektierte Strahlung umfasst typischerweise energiearmere Strahlung, d.h. Strahlung einer längeren
Wellenlänge. Weiterhin weist die zu detektierende Strahlung im Vergleich zur Intensität des Anregungslichts
typischerweise nur eine sehr geringe Intensität auf. Dadurch, dass das von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich erzeugte Anregungslicht aufgrund seiner Polarisationsrichtung vom zweiten Polarisationsfilter im Wesentlichen nicht
durchgelassen wird, wird das Anregungslicht vor dem Erreichen der strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs vorteilhaft von der zu detektieren Strahlung des Körperbereichs getrennt. Das von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich
emittierte Licht trägt deshalb zu dem Signallicht, das von dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich erfasst wird, nur sehr geringfügig bei. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine hohe Empfindlichkeit des optoelektronischen Sensors erreicht .
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich seitlich neben dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich angeordnet. Auf diese Weise wird der Platzbedarf für den optoelektronischen Sensor gering gehalten.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors sind die Strahlungsaustrittsfläche des
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und die Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektieren
Halbleiterbereichs parallel zueinander angeordnet.
Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich sind insbesondere derart angeordnet, dass eine Hauptemissionsrichtung des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs und eine
Haupteinfallsrichtung des strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereichs im Wesentlichen antiparallel zueinander sind .
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Der gemeinsamen Träger kann beispielsweise elektrische Kontakte zur Kontaktierung des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs und des
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich monolithisch integriert. "Monolithisch integriert" bedeutet insbesondere, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich ein gemeinsames Aufwachssubstrat aufweisen. Der strahlungsemittierende
Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende
Halbleiterbereich können insbesondere epitaktisch auf dem gemeinsamen Aufwachssubstrat aufgewachsen sein. Es ist möglich, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich zumindest bereichsweise Halbleiterschichten aufweisen, die im gleichen epitaktischen Aufwachsprozess hergestellt sind. Der
strahlungsemittierende Halbleiterbereich und/oder der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich können insbesondere eine Mesa-Struktur aufweisen. Die laterale Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge ist somit geringer als die laterale Ausdehnung eines Trägersubstrats wie beispielweise dem
Aufwachssubstrat . Die Mesa-Struktur kann durch einen
fotolithografischen Prozess hergestellt werden, bei dem die Halbleiterschichtenfolge teilweise abgetragen wird, um sie zu einer gewünschten Form und Größe zu strukturieren.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors beträgt ein Abstand zwischen dem
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich nicht mehr als 150 ym. Unter dem "Abstand" ist hier die kürzeste Distanz
zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich, also die Breite des Zwischenraums zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich, zu verstehen. Vorzugsweise beträgt der Abstand mindestens 20 ym, um ein optisches Übersprechen zu vermindern. Der Abstand zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich beträgt also vorzugsweise zwischen 20 ym und 150 ym.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist eine strahlungsreflektierende oder
strahlungsabsorbierende Schicht auf Seitenflanken des
strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs und/oder des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs aufgebracht.
Vorzugsweise sind sowohl die Seitenflanken des
strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs als auch die
Seitenflanken des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs mit der strahlungsreflektierenden oder
strahlungsabsorbierenden Schicht bedeckt. Auf diese Weise kann ein optisches Übersprechen zwischen dem
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich noch weiter reduziert werden. Die strahlungsreflektierende oder
strahlungsabsorbierende Schicht ist vorzugsweise eine
dielektrische Schicht oder Schichtenfolge. Alternativ oder zusätzlich können die Seitenflanken des ersten
Polarisationsfilters und/oder die Seitenflanken des zweiten Polarisationsfilters von der strahlungsreflektierenden oder strahlungsabsorbierenden Schicht bedeckt sein.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist der erste Polarisationsfilter und/oder der zweite Polarisationsfilter ein absorbierender Polarisationsfilter. Bei einem absorbierenden Polarisationsfilter wird Licht mit der Durchlass-Polarisationsrichtung transmittiert und andere Polarisationsrichtungen werden innerhalb des
Polarisationsfilters absorbiert. Bei dieser Ausgestaltung kann der erste und/oder zweite Polarisationsfilter
beispielsweise Herapathit aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist der erste Polarisationsfilter und/oder der zweite Polarisationsfilter ein reflektierender Polarisationsfilter. Bei einem reflektierenden Polarisationsfilter wird Licht mit der Durchlass-Polarisationsrichtung transmittiert und andere Polarisationsrichtungen werden reflektiert. Bei dieser
Ausgestaltung kann der erste und/oder zweite
Polarisationsfilter beispielsweise eine dielektrische
Schichtenfolge aufweisen. Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich in seitlicher Richtung von einer Kunststoff-Formmasse umgeben, die
beispielsweise Silikon oder Epoxidharz aufweist. Die
Kunststoff-Formmasse kann beispielsweise durch Spritzgießen, Spritzpressen oder Formpressen aufgebracht werden. Die
Kunststoff-Formmasse ist vorteilhaft opak, d.h. insbesondere für die emittierte Strahlung nicht transparent. Vorzugsweise enthält die Kunststoff-Formmasse strahlungsabsorbierende und/oder strahlungsreflektierende Partikel. Auf diese Weise kann das Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich und dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich noch weiter reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich können die Seitenflanken des ersten
Polarisationsfilters und/oder die Seitenflanken des zweiten Polarisationsfilters von der Kunststoff-Formmasse bedeckt sein .
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist der optoelektronische Sensor ein oberflächenmontierbares Bauelement (SMD, Surface Mounted Device) . Bei dieser Ausgestaltung sind insbesondere die elektrischen Kontakte an einer von der
Strahlungsaustrittsfläche und Strahlungseintrittsfläche abgewandten Rückseite angeordnet, sodass das Bauelement an der Rückseite beispielsweise auf eine Leiterplatte montierbar ist. Die Vorderseite des optoelektronischen Sensors ist in diesem Fall vorteilhaft frei von elektrischen Zuleitungen wie beispielsweise Bonddrähten, so dass eine Absorption des emittierten Lichts oder des zu detektierenden Lichts durch elektrische Zuleitungen vermieden wird. Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors ist der strahlungsemittierende Halbleiterbereich zur Emission von Infrarotstrahlung geeignet und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich zur Detektion von Infrarotstrahlung geeignet. Bei dieser Ausgestaltung können der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich beispielsweise auf einem Arsenid-Verbindungshalbleiter basieren. „Auf einem Arsenid-Verbindungshalbleiter basierend" bedeutet im
vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie- Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein
Arsenidverbindungshalbleitermaterial , vorzugsweise
Al n Ga m Ini- n-m As umfasst, wobei 0 < n < 1, 0 < m < 1 und n + m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine
mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können. Es ist alternativ aber auch möglich, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich und/oder der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich auf einem anderen Halbleitermaterial, insbesondere auf einem III-V- Halbleitermaterial , basieren.
Der optoelektronische Sensor kann insbesondere zur Messung von mindestens einem Vitalparameter eingerichtet sein. Ein Vitalparameter ist eine Maßzahl, die eine Grundfunktion des menschlichen Körpers widerspiegelt. Ein solcher
Vitalparameter kann beispielsweise die Herzfrequenz oder der Blutdruck oder der Sauerstoffgehalt im Blut sein. Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist der optoelektronische Sensor Bestandteil eines tragbaren Geräts, insbesondere eines tragbaren Geräts zur Messung eines Vitalparameters wie beispielweise einer Sportuhr oder eines Fitness-Armbands. Die kompakte Bauweise des optoelektronischen Sensors ist für die Integration des optoelektronischen Sensors in ein solches Gerät besonders vorteilhaft.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 6 näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Sensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Sensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Sensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Figur 4 eine schematische Darstellung des Strahlengangs bei einem Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Sensors ,
Figur 5 eine schematische Darstellung des Strahlengangs bei einem optoelektronischen Sensor mit geringer
Distanz zwischen strahlungsemittierendem Halbleiterbereich und strahlungsdetektierendem Halbleiterbereich, und
Figur 6 eine schematische Darstellung des Strahlengangs bei einem optoelektronischen Sensor mit großer Distanz zwischen strahlungsemittierendem Halbleiterbereich und strahlungsdetektierendem Halbleiterbereich.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die
dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen .
In Figur 1 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Sensors im Querschnitt dargestellt. Der optoelektronische Sensor 1 weist einen
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und einen
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 auf. Der
strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind jeweils durch eine Halbleiterschichtenfolge gebildet, deren
Einzelschichten hier nicht dargestellt sind.
Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 können
beispielsweise jeweils eine auf einem III-V- Halbleitermaterial basierende Halbleiterschichtenfolge aufweisen, beispielsweise eine auf einem
Arsenidverbindungshalbleitermaterial basierende
Halbleiterschichtenfolge. Der strahlungsemittierende
Halbleiterbereich 2 kann insbesondere eine
Leuchtdiodenschichtenfolge aufweisen. Der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 kann beispielsweise als Fotodiode ausgeführt sein.
Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind derart seitlich nebeneinander angeordnet, dass eine
Strahlungsaustrittsfläche des strahlungsemittierenden
Halbleiterbereichs und eine Strahlungseintrittsfläche des strahlungsdetektieren Halbleiterbereichs parallel zueinander, insbesondere in einer Ebene, angeordnet sind.
Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind auf einem gemeinsamen Träger 6 angeordnet. Bei dem gemeinsamen Träger 6 kann es sich insbesondere um ein gemeinsames Aufwachssubstrat handeln. Mit anderen Worten sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende
Halbleiterbereich 3 monolithisch integriert. Die
Halbleiterschichtenfolgen des strahlungsemittierenden
Halbleiterbereichs 2 und des strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereichs 3 können insbesondere epitaktisch auf dem gemeinsamen Aufwachssubstrat aufgewachsen sein. Der
strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 weisen
insbesondere eine Mesastruktur auf, die beispielsweise durch einen Ätzprozess hergestellt werden kann.
Alternativ ist es auch möglich, dass der
strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 separat
gefertigte Halbleiterchips sind, die mittels einer
Verbindungsschicht wie beispielsweise einer Lotschicht mit dem gemeinsamen Träger 6 verbunden sind. Bei dieser Ausgestaltung können der strahlungsemittierende
Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende
Halbleiterbereich 3 insbesondere sogenannte Dünnfilm- Halbleiterkörper sein. Bei der Herstellung eines Dünnfilm- Halbleiterkörpers wird eine funktionelle
Halbleiterschichtenfolge, die insbesondere die aktive Schicht umfasst, zunächst epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen, anschließend der Träger 6 auf die dem
Aufwachssubstrat gegenüber liegende Oberfläche der
Halbleiterschichtenfolge aufgebracht und nachfolgend das Aufwachssubstrat abgetrennt. Da insbesondere die für
Nitridverbindungshalbleiter verwendeten Aufwachssubstrate, beispielsweise SiC, Saphir oder GaN vergleichsweise teuer sind, bietet dieses Verfahren insbesondere den Vorteil, dass das Aufwachssubstrat wiederverwertbar ist. Das Ablösen eines Aufwachssubstrats aus Saphir von einer
Halbleiterschichtenfolge aus einem
Nitridverbindungshalbleiter kann beispielsweise mit einem Laser-Lift-Off-Verfahren erfolgen .
Der gemeinsame Träger 6 weist an der Rückseite Elektroden 7 zur elektrischen Kontaktierung des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs 2 und des strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereichs 3 auf. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Elektroden 7 und dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 sowie dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich 3 sind hier zur Vereinfachung nicht im Detail dargestellt. Es ist beispielsweise möglich, dass diese Verbindungen mittels Durchkontaktierungen durch den Träger 6 realisiert sind. Der gemeinsame Träger 6 kann zum Beispiel ein Siliziumsubstrat oder ein Glassubstrat sein. Der optoelektronische Sensor 1 ist insbesondere ein
oberflächenmontierbares Bauelement. Der optoelektronische Sensor kann insbesondere mittels der an der Rückseite des Trägers 6 angeordneten Elektroden 7 auf einer Leiterplatte montiert werden. Der optoelektronische Sensor 1 kann an den Elektroden insbesondere mit einer Steuereinheit verbunden sein, welche zur Ansteuerung des optoelektronischen Sensors und zur Signalauswertung eingerichtet ist.
Bei dem optoelektronischen Sensor 1 ist über dem
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 ein erster
Polarisationsfilter 4 angeordnet. Der erste
Polarisationsfilter 4 ist bei dem Ausführungsbeispiel ein strahlungsabsorbierender Polarisationsfilter, welcher von der emittierten Strahlung nur Strahlung einer
Polarisationsrichtung PI durchlässt und andere
Polarisationsrichtungen absorbiert. Der erste
Polarisationsfilter 4 kann aus der emittierten Strahlung insbesondere linear polarisierte Strahlung mit der
Polarisationsrichtung PI erzeugen. Die erste
Polarisationsrichtung PI ist beispielsweise parallel zur Zeichenebene orientiert.
Weiterhin ist über dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich 3 ein zweiter Polarisationsfilter 5 angeordnet. Der zweite Polarisationsfilter 5 ist bei dem Ausführungsbeispiel ein strahlungsabsorbierender
Polarisationsfilter, welcher nur Strahlung einer zweiten Polarisationsrichtung P2 durchlässt und andere
Polarisationsrichtungen absorbiert. Der zweite
Polarisationsfilter 5 kann beispielsweise eine
Durchlassrichtung für linear polarisierte Strahlung mit der Polarisationsrichtung P2 aufweisen. Die zweite Polarisationsrichtung P2 ist beispielsweise senkrecht zur Zeichenebene orientiert.
Der erste Polarisationsfilter 4 ist vorteilhaft direkt auf dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 angeordnet, und der zweite Polarisationsfilter 5 ist vorteilhaft direkt auf dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3
angeordnet. Der erste Polarisationsfilter 4 und der zweite Polarisationsfilter 5 können beispielsweise polarisierende Kristallplättchen sein, die mittels einer Verbindungsschicht wie beispielsweise einem Klebstoff auf dem
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und auf dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 befestigt sind. Der erste Polarisationsfilter 4 und/oder der zweite
Polarisationsfilter 5 können beispielsweise Herapathit aufweisen .
Die Polarisationsrichtung P2 des zweiten Polarisationsfilters 5 ist senkrecht zur Polarisationsrichtung PI des ersten
Polarisationsfilters 4. Die Polarisationsrichtungen PI und P2 sind also gekreuzt. Auf diese Weise wird vorteilhaft
erreicht, dass von dem strahlungsemittierenden
Halbleiterbereich 2 emittierte Strahlung, die den ersten Polarisationsfilter 4 passiert hat, von dem
Polarisationsfilter 5 über dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich 3 nicht durchgelassen wird. Der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 wird auf diese Weise von der emittierten Strahlung weitestgehend
abgeschirmt. Mit anderen Worten wird ein Übersprechen
zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 vermindert. Die Empfindlichkeit des strahlungsdetektierenden
Halterbereichs 3 für eine Signalstrahlung, die insbesondere unpolarisiert sein kann, wird auf diese Weise im Vergleich zur Empfindlichkeit für die emittierte Strahlung vorteilhaft erhöht. Insbesondere wird das Signal-zu-Rauschverhältnis des Detektorsignals auf diese Weise verbessert.
Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind seitlich von einer Kunststoff-Formmasse 9 umgeben. Die Kunststoff- Formmasse 9 ist vorteilhaft lichtundurchlässig. Bei dem
Ausführungsbeispiel ist die Kunststoff-Formmasse 9 eine lichtundurchlässige Kunststoff-Formmasse, die den
strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2, den ersten
Polarisationsfilter 4, den strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich 3, den zweiten Polarisationsfilter 5 und den gemeinsamen Träger 6 in seitlicher Richtung umgibt. Die lichtundurchlässige Kunststoff-Formmasse 9 kann insbesondere ein Matrixmaterial mit darin eingebetteten
strahlungsreflektierenden oder strahlungsabsorbierenden
Partikeln aufweisen. Das Matrixmaterial kann beispielsweise ein Silikon oder ein Epoxidharz sein, und die Partikel können beispielsweise TiCg-Partikel sein. Die lichtundurchlässige Kunststoff-Formmasse 9 kann beispielsweise durch
Spritzgiessen, Spritzpressen oder Formpressen aufgebracht werden. Die Kunststoff-Formmasse 9 dient zum einen zum Schutz des optoelektronischen Sensors 1 vor äußeren Einflüssen, beispielsweise zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen, Schmutz oder Feuchtigkeit. Dadurch, dass die Kunststoff- Formmasse 9 lichtundurchlässig ist, wird außerdem ein
Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierenden
Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereich 3 weiter vermindert. In der Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Sensors 1 dargestellt. Der Aufbau des optoelektronischen Sensors 1 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels. Ein Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass der erste Polarisationsfilter 4 und der zweite Polarisationsfilter 5 als reflektive Polarisationsfilter ausgeführt sind. Der erste Polarisationsfilter 4, der auf dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 angeordnet ist, ist derart ausgeführt, dass er Strahlungsanteile der emittierten Strahlung mit einer ersten Polarisationsrichtung PI transmittiert und andere Strahlungsanteile zurück reflektiert.
In analoger Weise kann auch der zweite Polarisationsfilter 5, der auf dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 angeordnet ist, als reflektiver Polarisationsfilter
ausgeführt sein. In diesem Fall ist der
strahlungsdetektierende Polarisationsfilter 5 dazu
eingerichtet, Strahlungsanteile eines einfallenden
Signallichts mit der zweiten Polarisationsrichtung P2 zu transmittieren und andere Strahlungsanteile zurück zu
reflektieren. Der.
Der erste Polarisationsfilter 4 und der zweite
Polarisationsfilter 5 können eine polarisierende Schicht oder Schichtenfolge aufweisen, insbesondere eine dielektrische Schichtenfolge. Insbesondere können der erste
Polarisationsfilter 4 und der zweite Polarisationsfilter 5 dielektrische Interferenzschichtsysteme sein.
Die reflektierende Eigenschaft des ersten
Polarisationsfilters 4 und/oder des zweiten
Polarisationsfilters 5 hat den Vorteil, dass ein so genanntes Licht-Recycling ermöglicht wird. Dies bedeutet, dass
beispielsweise Strahlung, welche in den
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 eingetreten ist, einmal oder mehrmals zwischen dem reflektierenden
Polarisationsfilter 5 und der dem Träger 6 zugewandten
Rückseite des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 reflektiert werden kann, bis schließlich eine Absorption in der lichtempfindlichen aktiven Schicht des
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 stattfindet. Solche Strahlung, die nach einem einmaligen Durchqueren der der aktiven Schicht noch nicht absorbiert worden ist, geht somit nicht verloren, sondern kann nach einer einmaligen oder mehrmaligen Reflexion noch absorbiert werden und so zum
Detektorsignal beitragen.
In analoger Weise können beispielsweise Photonen, welche beim ersten Auftreffen auf den reflektierenden Polarisationsfilter 4 des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs 2 noch nicht transmittiert wurden, möglicherweise nach einer einmaligen oder mehrmaligen Reflexion in dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 transmittiert werden und somit zur emittierten Strahlung beitragen.
Ein weiterer Unterschied zwischen dem zweiten
Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 und dem ersten
Ausführungsbeispiel besteht darin, dass Seitenflanken des strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und des
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 jeweils mit einer strahlungsreflektierenden oder strahlungsabsorbierenden
Schicht 8 versehen sind. Insbesondere können die einander zugewandten Seitenflanken des strahlungsemittierenden
Halbleiterbereichs und des strahlungsdetektierenden
Halbleiterbereichs 3 mit der strahlungsreflektierenden oder strahlungsabsorbierenden Schicht 8 versehen sein. Zusätzlich ist es auch möglich, dass auch die voneinander abgewandten Seitenflanken des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs 2 und des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 mit der strahlungsabsorbieren Schicht 8 bedeckt sind. Die
strahlungsreflektierende oder strahlungsabsorbierende Schicht 8 kann insbesondere auch die Seitenflanken des ersten
Polarisationsfilters 4 und des zweiten Polarisationsfilters 5 bedecken. Durch die strahlungsreflektierende oder
strahlungsabsorbierende Schicht 8 wird ein Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 weiter vermindert .
In der Figur 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Sensors 1 dargestellt. Das dritte
Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten
Ausführungsbeispiel dadurch, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende
Halbleiterbereich 3 keinen gemeinsamen, sondern separate Träger 6 aufweisen. Vielmehr sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende
Halbleiterbereich 3 bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils Bestandteil eines separaten Halbleiterchips. Dennoch sind der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 auch bei diesem Ausführungsbeispiel in einem geringen Abstand nebeneinander angeordnet, vorzugsweise in einem Abstand von mindesten 20 ym und höchstens 150 ym. Die beiden Halbleiterchips weisen jeweils Elektroden an der Rückseite auf, so dass vorteilhaft beide nebeneinander angeordnete Halbleiterchips jeweils oberflächenmontierbare Halbleiterchips sind. Der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 sind wie bei den vorherigen Beispielen von einer strahlungsundurchlässigen Kunststoff-Formmasse 9 umgeben. Die Kunststoff-Formmasse 9 ist vorteilhaft eine Kunststoff-Formmasse, welche die beiden benachbarten Halbleiterchips miteinander zu einem
einstückigen optoelektronischen Sensor 1 verbindet.
Insbesondere kann der Zwischenraum zwischen den beiden benachbarten Halbleiterchips von der Kunststoff-Formmasse 9 ausgefüllt sein. Die Kunststoff-Formmasse 9 stellt zum einen das Verbindungsglied zwischen den beiden Halbleiterchips dar. Weiterhin ist die Kunststoff-Formmasse 9 vorteilhaft
lichtundurchlässig, so dass ein optisches Übersprechen zwischen dem strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 vermindert wird. Hinsichtlich weiterer möglicher Ausgestaltungen und den daraus resultierenden Vorteilen entspricht das dritte
Ausführungsbeispiel ansonsten dem ersten Ausführungsbeispiel.
In Figur 4 ist schematisch ein Querschnitt durch einen optoelektronischen Sensor 1 bei einer für den
optoelektronischen Sensor 1 vorgesehenen Anwendung
dargestellt. Der optoelektronische Sensor 1 ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ausgestaltet. Alternativ wäre es aber auch möglich, dass der optoelektronische Sensor 1 beispielsweise wie bei einem der Ausführungsbeispiele der Figuren 2 oder 3 ausgebildet ist. Bei einem Verfahren zum Betrieb des optoelektronischen Sensors 1 emittiert der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 Strahlung 10 in eine Hauptabstrahlrichtung, die senkrecht zu einer
Hauptfläche des optoelektronischen Sensors 1 ist. Die
emittierte Strahlung 10 passiert den ersten Polarisationsfilter 4 und ist dann vorteilhaft linear
polarisiert .
Die emittierte Strahlung 10 kann als Anregungslicht von einem Objekt 11 absorbiert werden und dort die Emission einer
Signalstrahlung 12 anregen, von der ein Teil von dem
strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3 detektiert wird. Die nach der Absorption reemittierte Signalstrahlung 12 weist typischerweise eine geringere Energie und somit eine größere Wellenlänge auf als die emittierte Strahlung 10. Das Objekt 11 kann zum Beispiel menschliches Gewebe sein. Es ist auch möglich, dass das Objekt flüssig oder gasförmig ist,
beispielsweis kann ein Schweißtropfen oder ein vom Körper ausgeschiedenes Gas untersucht werden.
Die Figur 5 zeigt schematisch den Strahlengang bei einem optoelektronischen Sensor 1 mit geringer Distanz zwischen dem strahlungsemittierendem Halbleiterbereich und dem
strahlungsdetektierendem Halbleiterbereich. Die geringe
Distanz wird insbesondere dadurch erreicht, dass der
strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der
strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 nebeneinander auf einem gemeinsamen Träger 6 angeordnet sind, wobei der Abstand vorteilhaft nicht mehr als 150 ym, insbesondere zwischen 20 ym und 150 ym beträgt. Die emittierte Strahlung 10 trifft unter verschiedenen Winkeln Q auf das Objekt 11. Ebenso trifft auch die Signalstrahlung 12 unter verschiedenen
Winkeln Q auf den strahlungsdetektierenden Halbleiterbereich 3. Die Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung 10 kann beispielsweise näherungsweise der Strahlcharakteristik eines Lambert-Strahlers entsprechen. In diesem Fall ist die Strahlstärke I e des emittierten Lichts zumindest
näherungsweise proportional zum Kosinus des Winkels Q, wobei q = 0° die Hauptabstrahlrichtung kennzeichnet, es gilt also I e (Q) = Io cos Q. Hierbei sind I e ( Q) die Strahlstärke unter dem Winkel Q zur Hauptabstrahlrichtung und Io die in der Hauptstrahlrichtung (Q = 0°) vorliegende Strahlstärke.
Die auf das zu untersuchendes Objekt auftreffende
Strahlenergie Al ist proportional zum Integral der
Strahlstärke I e (Q) über die Winkel Q, unter denen die
Strahlung auf das Objekt trifft. Da zumindest näherungsweise I e (Q) = Io cos Q gilt, ist die Strahlenergie umso größer, je kleiner die Winkel Q relativ zur Hauptabstrahlrichtung sind.
Die Figur 6 zeigt zum Vergleich schematisch den Strahlengang bei einem optoelektronischen Sensor 1 mit größerer Distanz zwischen dem strahlungsemittierenden Halbleiterbereich 2 und dem strahlungsdetektierenden 3 Halbleiterbereich. Die größere Distanz beruht bei diesem Beispiel insbesondere darauf, dass der strahlungsemittierende Halbleiterbereich 2 und der strahlungsdetektierende Halbleiterbereich 3 separate
Halbleierchips sind, die nicht direkt nebeneinander auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. In diesem Fall sind die Winkel Q relativ zur Hauptabstrahlrichtung größer als bei dem Beispiel der Figur 5. Die auf das zu untersuchendes Objekt auftreffende Strahlenergie A2 ist daher kleiner als bei dem Beispiel der Figur 5. Es zeigt sich also, dass die Anordnung des strahlungsemittierenden Halbleiterbereichs 2 und des strahlungsdetektierenden Halbleiterbereichs 3 nebeneinander auf einem gemeinsamen Träger gemäß Figur 5 vorteilhafter ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste
1 optoelektronischer Sensor
2 strahlungsemittierender Halbleiterbereich
3 strahlungsdetektierender Halbleiterbereich
4 erster Polarisationsfilter
5 zweiter Polarisationsfilter
6 Träger
7 Elektroden
8 strahlungsreflektierende oder strahlungsabsorbierende Schicht
9 KunstStoff-Formmasse
10 emittierte Strahlung
11 Objekt
12 SignalStrahlung
PI erste Polarisationsrichtung
P2 zweite Polarisationsrichtung