DE102019113343A1

DE102019113343A1 - Photodetektor mit verbessertem Detektionsergebnis

Info

Publication number: DE102019113343A1
Application number: DE102019113343.2A
Authority: DE
Inventors: Rico Meerheim; Robert Brückner; Matthias Jahnel; Karl Leo
Original assignee: Senorics GmbH
Current assignee: Senorics GmbH
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2020-11-26
Also published as: CN113841256A; KR20220010480A; EP3973580A1; US20220199840A1; WO2020234171A1; JP2022533408A

Abstract

Die Erfindung betrifft verschiedene Aspekte eines Photodetektors zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung mit einem ersten optoelektronischen Bauelement zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Das erste optoelektronische Bauelement weist dabei eine erste optische Kavität und mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle auf. Die erste optische Kavität wird durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet, wobei die Länge der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle i. Ordnung in der ersten optischen Kavität ausbildet Jede Detektionszelle weist eine photoaktive Schicht auf, wobei die photoaktive Schicht jeweils so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle innerhalb der photoaktiven Schicht liegt Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist die Ordnung der Resonanzwelle des ersten optoelektronischen Bauelements größer als 1. Gemäß einem zweiten Aspekt weist das erste optoelektronische Bauelement neben der Detektionszelle mindestens eine optisch transparente Abstandshalterschicht, die in der ersten optischen Kavität zwischen einer der Spiegelschichten und der Detektionszelle angeordnet ist, und mindestens einen Außenkontakt auf, der an eine äußere Oberfläche der Detektionszelle angrenzt und aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Photodetektor zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung, welcher ein optoelektronisches Bauelement mit einer optischen Kavität und mindestens einer darin angeordneten Detektionszelle aufweist und ein verbessertes Detektionsergebnis ermöglicht.
Photodetektoren zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung dienen zum qualitativen und quantitativen Nachweis von elektromagnetischer Strahlung, im folgenden auch Licht genannt, einer spezifischen Wellenlänge in einer einfallenden Strahlung. Dabei ist die einfallende Strahlung eine breitbandige Strahlung, die Licht vieler verschiedener Wellenlängen enthält. Solche Photodetektoren weisen oftmals Filter oder eine optische Kavität auf, die die Resonanz nur spezifischen Wellenlängen der einfallenden Strahlung innerhalb der Kavität ermöglicht. Dabei wird die optische Kavität durch Spiegel, von denen mindestens einer halbtransparent ist und die mit einem Abstand L zueinander angeordnet sind, erzeugt. Innerhalb der optischen Kavität werden die Strahlungen (elektromagnetischen Wellen) der Resonanz-Wellenlängen mehrmals zwischen den Spiegeln reflektiert und verstärkt und durchlaufen dabei eine photoaktive Schicht, die die elektromagnetische Strahlung in elektrische Leistung umwandelt. Solch ein Photodetektor ist bspw. in der WO 2017/029223 A1 beschrieben. Jede der Resonanzwellen weist eine natürliche Anzahl von Schwingungsmaxima innerhalb der optischen Kavität auf und wird als Resonanzwelle i. Ordnung bezeichnet, wobei i der Anzahl der Schwingungsmaxima entspricht. Alle ausgebildeten Resonanzwellen 1. bis n. Ordnung tragen zum elektrischen Signal des Photodetektors bei. Damit ist eine Detektion einer spezifischen Wellenlänge der Resonanzwellen nur in einem eingeschränkten Bereich für die zu detektierende Wellenlänge oder untergroßem externen Aufwand, z.B. durch vorgeschaltete Filter oder eine aufwändige Auswertung des gemessenen elektrischen Signals, möglich.
Ein weiterer wesentlicher Faktor für die Genauigkeit der Detektion einer bestimmten Wellenlänge in der optischen Kavität ist die Breite des durch die optische Kavität verstärkten Wellenlängenbereichs. Denn obwohl oben von einzelnen Resonanz-Wellenlängen gesprochen wurde, wobei idealerweise nur diese einzelnen Resonanz-Wellenlängen stehende Wellen ausbilden, so wird in der Realität jeweils ein gewisser Wellenlängenbereich rund um die einzelnen Resonanz-Wellenlängen in der optischen Kavität verstärkt und bildet stehende Wellen aus. Die Verstärkung der optischen Kavität, die die Externe Quanteneffizienz (EQE) für eine gegebene Wellenlänge bestimmt, ist näherungsweise eine Abfolge von supergaussförmigen VVerteilungen oder Lorentz-Verteilungen, wobei jeweils der Maximalwert bei einer Resonanz-Wellenlänge liegt. Die Resonanz-Wellenlängen sind spektral aufgetragen, d.h. in der Darstellung der Größe der Verstärkung des Photodetektors über die Wellenlänge, als Peak erkennbar. Als Peakbreite wird die Breite des Wellenlängenbereichs, in dem der Peak liegt und bei dessen Bereichsgrenzen die Verstärkung die Hälfte des Maximums erreicht hat, bezeichnet. Je größer die Peakbreite ist, desto ungenauer wird die Detektion, da Wellenlängen innerhalb des verstärkten Wellenlängenbereichs nicht mehr voneinander unterschieden werden können. Dies wird durch die Kavitätsgüte Q beschrieben, die sich näherungsweise als Quotient aus der Peak-Wellenlänge und der Peakbreite berechnet.
Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist es, einen Photodetektor zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung mit einer optischen Kavität bereitzustellen, welcher eine verbesserte Detektion ermöglicht. Darüber hinaus soll ein platzsparender Aufbau eines Photodetektors zur Detektion elektromagnetischer Strahlung mehrerer verschiedener Wellenlängen bereitgestellt werden, der eine Miniaturisierung der Detektoren oder Spektrometer erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Photodetektor gemäß einem der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
Ein Photodetektor zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt enthält ein erstes optoelektronisches Bauelement zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Dabei kann das bloße Vorhandensein oder Fehlen der ersten Wellenlänge in der auf den Photodetektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung (qualitative Aussage) und/oder die Intensität der Strahlung der ersten Wellenlänge in der einfallenden elektromagnetischen Strahlung (quantitative Aussage) detektiert werden. Das erste optoelektronische Bauelement weist eine erste optische Kavität und mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle auf. Die erste optische Kavität wird durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet. Für alle optischen Kavitäten der vorliegenden Anmeldung wird der Abstand der beiden Spiegelschichten zueinander als physikalische Länge der optischen Kavität, im Folgenden auch kurz als Länge der optischen Kavität, bezeichnet. Die Länge der ersten optischen Kavität ist so ausgestaltet, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle i. Ordnung in der ersten optischen Kavität ausbildet. Dabei gilt allgemein für das Verhältnis einer das Resonanzkriterium erfüllenden Wellenlänge der einfallenden Strahlung und der physikalischen Länge der optischen Kavität folgende Beziehung: $L = i \cdot \frac{λ_{i} \cdot cos α}{2 n},$
wobei L die physikalische Länge der optischen Kavität, λ_i die einfallende Wellenlänge, α der Einfallswinkel der einfallenden Strahlung in Bezug auf die Normale auf die Oberfläche des optoelektronischen Bauelements, auf die die einfallende Strahlung auftrifft, n die effektive Brechzahl über die gesamte optische Kavität und ggf. weiterer dazwischenliegender Schichten und i die Ordnung der aus der einfallenden Wellenlänge resultierenden Resonanzwelle ist. Dabei ist i eine natürliche Zahl. Entsprechend der Ordnung i der zur ersten Wellenlänge gehörenden Resonanzwelle wird auch das optoelektronische Bauelement als Bauelement i. Ordnung bezeichnet.
Wenn in der folgenden Beschreibung von „der Resonanzwelle“ gesprochen wird, so ist jeweils die Resonanzwelle gemeint, die zu der im jeweiligen optoelektronischen Bauelement zu detektierenden Wellenlänge gehört, wenn nichts anderes ausdrücklich gesagt wird.
Jede in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle enthält eine photoaktive Schicht. Die photoaktive Schicht erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Querschnittsfläche der ersten optischen Kavität, wobei die Querschnittsfläche senkrecht zur Länge der ersten optischen Kavität verläuft. Dabei ist die photoaktive Schicht einer Detektionszelle jeweils so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle innerhalb der photoaktiven Schicht liegt Mit anderen Worten: Je nachdem, welche Ordnung die durch die zu detektierende erste Wellenlänge erzeugte Resonanzwelle aufweist, ist die photoaktive Schicht innerhalb der optischen Kavität angeordnet. Vorzugsweise liegt der Ort des Schwingungsmaximums, also der Ort des Intensitätsmaximums des elektromagnetischen Feldes der Resonanzwelle, dabei möglichst mittig in der photoaktiven Schicht bezogen auf die Dicke der photoaktiven Schicht, die in Richtung der Länge der ersten optischen Kavität gemessen wird. Dabei ist die Schichtdicke der photoaktiven Schicht vorzugsweise so bemessen, dass ein zu dem in der photoaktiven Schicht liegenden Schwingungsmaximum benachbarter Knotenpunkt der Resonanzwelle nicht mehr in der photoaktiven Schicht liegt.
Erfindungsgemäß ist die Ordnung der Resonanzwelle des ersten optoelektronischen Bauelements größer als 1. Mit anderen Worten: In dem ersten optoelektronischen Bauelement wird eine erste Wellenlänge, die in der ersten optischen Kavität eine Resonanzwelle 2., 3., 4. oder höherer Ordnung ausbildet, detektiert, da die photoaktive Schicht in genau einem Schwingungsmaximum dieser Resonanzwelle angeordnet ist.
Da Resonanzwellen höherer Ordnung deutlich kleinere Peakbreiten aufweisen als Resonanzwellen erster Ordnung, die im Stand der Technik detektiert wurden, kann eine feinere Unterscheidung verschiedener Wellenlängen, d.h. eine bessere spektrale Auflösung des Photodetektors, erreicht werden.
Vorzugsweise weist mindestens eine der Detektionszellen eine erste Ladungstransportschicht und eine zweite Ladungstransportschicht auf, wobei die photoaktive Schicht zwischen der ersten und der zweiten Ladungstransportschicht angeordnet ist. Die einzelnen Schichten sind übereinander entlang der Länge der ersten optischen Kavität angeordnet. Auch die erste und die zweite Ladungstransportschicht erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Querschnittsfläche der ersten optischen Kavität, wobei die erste Ladungstransportschicht an eine erste Oberfläche der photoaktiven Schicht und die zweite Ladungstransportschicht an eine zweite Oberfläche der photoaktiven Schicht angrenzen und die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche gegenüberliegt. Die Ladungstransportschichten dienen der Verbesserung der Ladungsextraktion aus der photoaktiven Schicht und deren Leitung hin zu elektrischen Kontakten, auch Elektroden genannt, welche die in der Detektionszelle erzeugten elektrischen Signale an eine Auswerteeinheit, die geeignet ist, diese auszuwerten, weiterleiten. Diese Ladungstransportschichten sind insbesondere bei sehr dünnen photoaktiven Schichten mit Dicken kleiner 10 nm vorteilhaft und dann mit einer Dicke größer oder gleich 10 nm ausgebildet. Bei dickeren photoaktiven Schichten können die Ladungstransportschichten auch nur sehr dünn, bspw. mit einer Dicke im Bereich von 1 nm bis 5 nm, ausgebildet sein, womit sie auch als Injektions- oder Extraktionsschichten bezeichnet werden können. In beiden Fällen müssen die Ladungstransportschichten nicht immer zwangsläufig dotierte Schichten sein.
Die Spiegelschichten können als hochreflektierende metallische Schichten, bspw. aus Silber (Ag) oder Gold (Au), semitransparente Metallmischschichten, bpw. aus Ag:Ca, oder als dielektrische Spiegel (DBR - distributed bragg-reflector) ausgebildet sein. Dabei ist mindestens eine der Spiegelschichten halbtransparent, um das einfallende Licht in die optische Kavität einzulassen, während die andere Spiegelschicht opak sein kann. Diese Eigenschaft kann bspw. über die Dicke der Spiegelschicht und/oder die Materialien und Mischungsverhältnisse der Bestandteile der Spiegelschichten eingestellt werden, was dem Fachmann bekannt ist. Bestehen die Spiegelschichten aus einem elektrisch gut leitenden Material, wie z.B. aus einem leitfähigen Oxid, einer leitfähigen organischen Verbindung oder einem Metall, können die Spiegelschichten als Elektroden zur Weiterleitung der in der Detektionszelle erzeugten elektrischen Signale an eine Auswerteeinheit, die geeignet ist, diese auszuwerten, dienen. Die Auswerteeinheit ist nicht notwendigerweise Bestandteil des Photodetektors, kann aber mit diesem starr verbunden und auf oder in demselben Substrat, auf welchem der Photodetektor ausgebildet ist, ausgebildet sein. Im Falle eines dielektrischen Spiegels kann eine dünne Schicht aus einem elektrisch gut leitenden Material, z.B. eine dünne Metallschicht, auf der der Detektionszelle zugewandten letzten dielektrischen Schicht der Spiegelschicht angeordnet sein, so dass auch in diesem Fall die Spiegelschicht als Elektrode dienen kann. Weitere Möglichkeiten der elektrischen Kontaktierung der Detektionszellen werden später erläutert.
Als photoaktive Schichten kommen, insbesondere für die Detektion von Wellenlängen im nahen Infrarot-Bereich (NIR) mit 800 nm ≤ λ_i ≤ 10 µm, folgende Materialien in Betracht: Fullerene, bspw. C60 oder C70, gemischt mit Donatoren wie Materialien der Stoffgruppe der Phthalocyanine (wie Zinkphthalocyanin oder Eisenphthalocyanin), der Pyrane, bspw. Bispyraniliden (abgekürzt auch TPDP), der Fulvalene, bspw. Tetrathiofulvalen (abgekürzt auch OMTTF) sowie der aromatischen Amine (bspw. N,N,N',N'-Tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine (abgekürzt auch MeO-TPD), 2,7-Bis[N,N-bis(4-methoxy-phenyl)amino]9,9-spirobifluorene (abgekürzt auch Spiro-MeO-TPD) oder 4,4',4"-Tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamin (abgekürzt auch m-MTDATA)), der Bisthiopyranilidene, der Bipyridinylidene oder der Diketopyrrolopyrrole. Möglich wären auch Stoffe wie HatCN:BFDPB, HATCN:4P-TPD, HATCN:a-NPB. Selbstverständlich können auch beliebige andere photoaktive Materialien zum Einsatz kommen, zum Beispiel Polymere, welche mittels Flüssigprozessierung erzeugt wurden, wie etwa aus der Stoffgruppe der Polythiophene (bspw. poly(2,5-bis(3-alkylthiophene-2-yl) thieno[3,2-b]thiophene (abgekürzt auch pBTTT).
Dabei hat eine photoaktive Schicht jeweils vorzugsweise eine Dicke, die im Bereich von 0,1 nm bis 1 µm liegt, wobei die Dicke der photoaktiven Schicht sowohl vom Material der photoaktiven Schicht als auch vom gesamten Aufbau des optoelektronischen Bauelements abhängt. Besonders bevorzugt liegt die Dicke der photoaktiven Schicht für Charge Transfer Photodioden (CTPD), die den direkten interchromophoren Ladungstransferzustand nutzen, mit z.B. C60:TPDP, im Bereich von 10 nm bis 1000 nm, während sie für Photodioden, welche die direkte Material-Absorption nutzen und in Bulk- oder flachen Hetero-Übergängen (BHJ, FHJ) die Ladungsträger separieren, z.B. C60:ZnPc, im Bereich von 0,1 nm bis 100 nm liegt.
Als Ladungstransportschichten können beispielsweise aromatische Amine (wie N,N,N',N'-Tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine (abgekürzt auch MeO-TPD), 2,7-Bis[N,N-bis(4-methoxy-phenyl)amino]9,9-spiro-bifluorene (abgekürzt auch Spiro-MeO-TPD) oder N4, N4'bis(9,9-dimethyl-9H-fluoren-2-yl)-N4,N4'-diphenylbiphenyl-4,4'-diamine (abgekürzt auch BF-DPB) oder 9,9-bis[4-(N,N-bis-biphenyl-4-yl-amino)phenyl]-9H-fluorene (abgekürzt auch BPAPF)) oder Polymere wie Po-3,4-ethylendioxythiophen Poly(Styrenesulfonat (kurz PEDOT:PSS), SpiroTTB, NDP9, F6-TCNNQ, C60F48, BPhen, C60, HatnaCl6, MH250, W2(hpp)4, Cr2(hpp)4, NDN26 eingesetzt werden. Selbstverständlich können auch andere geeignete Materialien bzw. eine Kombination aus mindestens zwei der benannten Materialien zum Einsatz kommen. Dabei unterscheidet sich das Material der ersten Ladungstransportschicht vom Material der zweiten Ladungstransportschicht einer Detektionszelle dadurch, dass ein Material ein elektronenleitendes Material und das andere ein löcherleitendes Material ist. Das Material der Ladungstransportschichten kann ein dotiertes Material sein, muss jedoch nicht.
Die elektrische Leitfähigkeit der Ladungstransportschichten liegt vorzugsweise im Bereich von größer 10^-5 S/cm. Die Dicke der Ladungsträgertransportschichten liegt vorzugsweise im Bereich von 1 nm bis 100 nm, wobei die Dicke im Allgemeinen mit steigender Anzahl von Detektionszellen in der ersten optischen Kavität sinkt. Weiterhin kann die Dicke der ersten Ladungstransportschicht einer Detektionszelle verschieden von der Dicke der zweiten Ladungstransportschicht dieser Detektionszelle sein.
Sind verschiedene Detektionszellen in der ersten optischen Kavität vorhanden, so können sich die photoaktiven Schichten und - wenn vorhanden - die ersten Ladungstransportschichten und die zweiten Ladungstransportschichten der verschiedenen Detektionszellen in Bezug auf das Material und die Dicke voneinander unterscheiden.
Selbstverständlich gilt in jedem Fall, dass die Summe aller in der ersten optischen Kavität vorhandenen Schichten, also photoaktive Schicht oder Schichten, ggf. Ladungstransportschichten und/oder weitere Schichten, gleich der Länge der ersten optischen Kavität ist.
In einem Ausführungsbeispiel entspricht die Anzahl der in der ersten optischen Kavität angeordneten Detektionszellen der Ordnung der Resonanzwelle. Das heißt, dass das erste optoelektronische Bauelement genau zwei Detektionszellen, deren photoaktive Schichten jeweils in genau einem und von anderen verschiedenen Schwingungsmaximum der Resonanzwelle angeordnet sind, enthält, wenn die zur Resonanzwelle 2. Ordnung gehörende erste Wellenlänge detektiert werden soll; genau drei Detektionszellen enthält, wenn die zur Resonanzwelle 3. Ordnung gehörende erste Wellenlänge detektiert werden soll, usw. Dabei sind die Detektionszellen jeweils übereinander entlang der Länge der ersten optischen Kavität angeordnet, müssen jedoch nicht aneinandergrenzen.
Alternativ kann auch eine geringere Anzahl von Detektionszellen als die Ordnung der Resonanzwelle in der ersten optischen Kavität angeordnet sein. So ist bspw. auch zur Detektion einer Resonanzwelle zweiter, dritter oder höherer Ordnung prinzipiell eine Detektionszelle ausreichend, deren photoaktive Schicht so innerhalb der optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle darin liegt. Dies vereinfacht die Herstellung des Photodetektors und verringert die Herstellungskosten durch den Einsatz einfacher und kostengünstiger Materialien anstelle der nicht ausgebildeten Detektionszellen.
Vorzugsweise ist in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch absorbierende Zwischenschicht jeweils so angeordnet, dass genau ein Schwingungsknoten der Resonanzwelle in der optisch absorbierenden Zwischenschicht liegt. Für optoelektronische Bauelemente, die zur Detektion von Resonanzwellen höherer Ordnung als der 2. Ordnung ausgebildet sind, sind vorzugsweise mehrere optisch absorbierende Zwischenschichten so angeordnet, dass jeder Schwingungsknoten der Resonanzwelle in genau einer optisch absorbierenden Zwischenschicht liegt. Die mindestens eine optisch absorbierende Zwischenschicht dient der Absorption von Resonanzwellen anderer Ordnung als die der Resonanzwelle, die zur ersten Wellenlänge gehört. Insbesondere werden in den Knotenpunkten Resonanzwellen, die zu der zur ersten Wellenlänge gehörigen Resonanzwelle benachbart sind, ausgelöscht, während die zur ersten Wellenlänge gehörende Resonanzwelle kaum beeinflusst wird. Damit können die Zuordnung eines detektierten elektrischen Signals zu der ersten Wellenlänge für einen größeren Bereich der ersten Wellenlänge sichergestellt und die Einsatzmöglichkeiten eines solchen Photodetektors vergrößert werden.
In Ausführungsformen grenzt mindestens eine der optisch absorbierenden Zwischenschichten direkt an eine Detektionszelle, das heißt an die photoaktive Schicht oder an eine der Ladungstransportschichten, wenn diese vorhanden sind, dieser Detektionszelle, an und besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material. Sie ist weiterhin geeignet, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden. Eine derartige Zwischenschicht dient somit als elektrischer Kontakt dem Abgriff der elektrischen Signale aus der Detektionszelle, auch wenn die photoaktive Schicht oder eine entsprechende Ladungstransportschicht, wenn vorhanden, der betreffenden Detektionszelle nicht direkt an eine elektrisch leitfähige Spiegelschicht angrenzt.
In weiteren Ausführungsformen ist in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch transparente Kontaktschicht angeordnet, die direkt an eine Detektionszelle, das heißt die photoaktive Schicht oder, wenn vorhanden, an eine der Ladungstransportschichten dieser Detektionszelle, angrenzt und aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht Diese Kontaktschicht ist geeignet, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden. Sie dient somit als elektrischer Kontakt dem Abgriff der elektrischen Signale aus der Detektionszelle, auch wenn die photoaktive Schicht oder eine entsprechende Ladungstransportschicht, wenn vorhanden, der betreffenden Detektionszelle nicht direkt an eine elektrisch leitfähige Spiegelschicht oder eine elektrisch leitfähige Zwischenschicht angrenzt. Dabei ist sie insbesondere für die zur ersten Wellenlänge gehörige Resonanzwellenlänge optisch transparent.
Als Materialien für eine optisch absorbierende Zwischenschicht können Schichten aus organischen kleinen Molekülen, organische Mischschichten oder Polymere, z.B. hochdotierte löcherleitende Materialien wie MeO-TPD:F6TCNNQ oder PEDOT:PSS mit Quantum Dots (QD), zum Einsatz kommen. Soll die optisch absorbierende Zwischenschicht elektrisch leitfähig sein, so können auch Metalle, wie Ag, oder Metallgemische, wie Ag:Ca, oder leitfähige Oxide, wie Indiumzinnoxid (ITO) oder Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumdotiertes Zinkoxid (AZO) eingesetzt werden. Auch eine optisch transparente Kontaktschicht kann aus denselben Materialien bestehen. Die optischen und elektrischen Eigenschaften einer solchen Zwischen- bzw. Kontaktschicht lassen sich dabei über die Dicke und die Mischung der Materialien einstellen. Die Dicke der Schichten liegt für Metalle vorzugsweise im Bereich von 0,1 nm bis 40 nm, weiter bevorzugt im Bereich von 5 nm bis 10 nm, während sie für Polymere oder Oxide im Bereich von 20 nm bis 100 nm, weiter bevorzugt im Bereich von 30 nm bis 60 nm, liegt, wobei jeweils kleine Dicken mit einer größeren optischen Transparenz verbunden sind.
Unter einer optisch absorbierenden Schicht im Sinne dieser Anmeldung, die als optisch absorbierende Zwischenschicht angewendet wird, wird dabei eine Schicht verstanden, die geeignet ist, soviel Energie einer spezifischen elektromagnetischen Welle zu absorbieren, dass diese ausgelöscht wird. Eine derartige spezifische elektromagnetische Welle hat eine Wellenlänge, die von der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonsanzwellenlänge verschieden ist. Dazu weist das Produkt aus dem Absorptionskoeffizienten k des Materials bei der Wellenlänge der spezifischen elektromagnetischen Welle und der Dicke d der Schicht sowie der Energie E der spezifischen elektromagneischen Welle im Bereich der Schicht einen Wert von größer oder gleich 1 • E auf (k · d · E > 1 · E). Damit kann eine Schicht aus einem Material mit einem sehr hohen Absorptionskoeffizienten k sehr dünn ausgeführt sein, während eine Schicht aus einem Material mit einem vergleichsweise niedrigen Absorptionskoeffizienten k entsprechend dicker ausgeführt sein muss, um die Auslöschung einer spezifischen elektromagnetischen Welle zu erreichen. Demgegenüber wird im Sinne dieser Anmeldung unter einer optisch transparenten Schicht, die bspw. als Abstandshalterschicht oder als optisch transparente Kontaktschicht angewendet wird, eine Schicht verstanden, die möglichst wenig Energie einer spezifischen elektromagnetischen Welle absorbiert und damit diese Welle kaum oder zumindest weniger als die photoaktive Schicht beeinflusst. Hier ist die spezifische elektromagnetische Welle diejenige, welche die der ersten Wellenlänge zugeordnete Resonsanzwellenlänge aufweist. Dazu weist das Produkt aus dem Absorptionskoeffizienten k des Materials bei der Wellenlänge der spezifischen elektromagnetischen Welle und der Dicke d der Schicht sowie der Energie E der spezifischen elektromagnetischen Welle im Bereich der Schicht einen Wert von kleiner 1 auf (k · d · E < 1 · E). Damit kann eine Schicht aus einem Material mit einem sehr kleinen Absorptionskoeffizienten k relativ dck ausgeführt sein, während eine Schicht aus einem Material mit einem vergleichsweise höheren Absorptionskoeffizienten k entsprechend dünner ausgeführt sein muss, um die Beeinflussung einer spezifischen elektromagnetischen Welle gering zu halten. Typische Absorptionskoeffizienten für Metalle liegen bspw. im Bereich von größer0,5, während typische Materialien für die photoaktiven Schichten Absorptionskoeffizienten von kleiner 0,01 aufweisen. Typische Materialien für Ladungstransportschichten weisen Absorptionskoeffizienten von kleiner 0,1 auf.
Wird der elektrische Kontakt der Detektionszelle zur Auswerteeinheit über eine solche Zwischenschicht oder Kontaktschicht hergestellt, kann die dann nicht mehr für den elektrischen Kontakt notwendige Spiegelschicht auf ihre optischen, d.h. spiegelnden oder semitransparenten, Eigenschaften hin optimiert werden. Durch die Entkopplung der optischen und elektrischen Elemente des optoelektronischen Bauelements ist eine Verbesserung des Detektionsergebnisses über die Verbesserung der optischen Eigenschaften der Spiegelschichten möglich.
In anderen Ausführungsformen weist das erste optoelektronische Bauelement mindestens einen Außenkontakt auf, der an eine äußere Oberfläche einer Detektionszelle, das heißt an eine äußere Oberfläche der photoaktiven Schicht oder einer der Ladungstransportschichten, wenn vorhanden, angrenzt und aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht Dieser Außenkontakt ist geeignet, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden. Ein solcher Außenkontakt dient somit als elektrischer Kontakt dem Abgriff der elektrischen Signale aus der betreffenden Detektionszelle, auch wenn die photoaktive Schicht oder eine Ladungstransportschicht, wenn vorhanden, dieser Detektionszelle nicht direkt an eine elektrisch leitfähige Spiegelschicht oder eine elektrisch leitfähige Zwischenschicht oder Kontaktschicht angrenzt. Als Materialien für einen solchen Außenkontakt kommen insbesondere Metalle, wie Ag oder Au, zum Einsatz.
Vorzugsweise weist das erste optoelektronische Bauelement mindestens zwei derartige Außenkontakte auf, die an gegenüberliegenden Seiten der Detektionszelle angeordnet sind. Die gegenüberliegenden Seiten sind entsprechende Seiten der Detektionszelle, die entlang der Länge der optischen Kavität voneinander beabstandet sind, also bspw. eine erste Seite der photoaktiven Schicht, die der ersten Spiegelschicht zugewandt ist, und eine zweite Seite der photoaktiven Schicht, die der zweiten Spiegelschicht zugewandt ist, oder die erste Ladungstransportschicht und die zweite Ladungstransportschicht. Selbstverständlich muss in jedem Fall eine elektrische Trennung der beiden Außenkontakte voneinander gegeben sein. Damit sind Außenkontakte, die direkt an die photoaktive Schicht angrenzen, eher für dicke photoaktive Schichten einsetzbar und nicht für sehr dünne photoaktive Schichten Da in der Ausführungsform mit zwei Außenkontakte in einer Detektionszelle keine zusätzlichen elektrisch leitenden Schichten, die die Resonanzwelle optisch beeinflussen könnten, in der Detektionszelle vorliegen und gleichzeitig die elektrische Kontaktierung der Detektionszelle von den Spiegelschichten entkoppelt ist, können die in der optischen Kavität vorhandenen Schichten auf ihre optischen Eigenschaften hin optimiert werden. Damit ist eine weitere Verbesserung des Detektionsergebnisses über die Verbesserung der Kavitätsgüte möglich.
In einem optoelektronischen Bauelement können auch verschiedene der oben beschriebenen Möglichkeiten zur elektrischen Kontaktierung in einer Detektionszelle oder für verschiedene Detektionszellen zum Einsatz kommen.
In Ausführungsformen des Photodetektors ist in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch transparente Abstandshalterschicht angeordnet, die zwischen einer der Spiegelschichten und einer zu dieser Spiegelschicht benachbarten Detektionszelle angeordnet ist. Die optisch transparente Abstandshalterschicht ist eine Schicht, die zumindest die stehende Welle mit der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonsanzwellenlänge kaum beeinflusst, wie dies oben beschrieben wurde. Das Material und die Dicke der Abstandshalterschicht werden entsprechend der oben beschriebenen Bedingungen ausgewählt, wobei die Dicke auch von den Dicken der anderen in der optischen Kavität vorhandenen Schichten und der Länge der optischen Kavität abhängt.
Sind zwei oder mehr Detektionszellen in der ersten optischen Kavität angeordnet, so ist in Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Photodektors eine optisch transparente Abstandshalterschicht der oben beschriebenen Art zwischen zwei, in der ersten optischen Kavität entlang der Länge der ersten optischen Kavität übereinander angeordneten Detektionszellen angeordnet.
Die optisch transparenten Abstandshalterschichten sind dabei vorzugsweise elektrisch nicht leitend, das heißt elektrisch isolierend, und bestehen vorzugsweise aus transparenten Oxiden, wie bspw Al₂O₃, SiO₂, TiO₂ oder organischen Verbindungen, wie sie bspw. auch für die Ladungstransportschichten genutzt werden. Dabei haben diese Schichten vorzugsweise eine Ladungsträgermobilität kleiner 10^-6 cm²/Vs und damit nur eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit. In diesem Fall wird der elektrische Kontakt der Ladungstransportschicht einer an die Abstandshalterschicht angrenzenden Detektionszelle zur Auswerteeinheit über eine elektrisch leitende Zwischenschicht oder Kontaktschicht oder einen Außenkontakt, wie dies oben beschrieben wurde, hergestellt. Die dann nicht mehr für den elektrischen Kontakt notwendige Spiegelschicht sowie auch die übrigen Schichten innerhalb der optischen Kavität können somit auf ihre optischen oder elektrischen Eigenschaften hin unabhängig voneinander optimiert werden. Durch die Entkopplung der optischen und elektrischen Elemente des Photodetektors ist eine Verbesserung des Detektionsergebnisses möglich.
In Ausführungsformen enthält der Photodetektor ein zweites optoelektronisches Bauelement zur Detektion einer zweiten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Das zweite optoelektronische Bauelement weist, ähnlich wie das erste optoelektronische Bauelement, eine zweite optische Kavität und mindestens eine in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle auf. Auch die zweite optische Kavität wird durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet, wobei die Länge der zweiten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die zweite Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle j. Ordnung in der zweiten optischen Kavität ausbildet. Jede Detektionszelle des zweiten optoelektronischen Bauelements enthält eine photoaktive Schicht. Dabei ist die photoaktive Schicht jeweils so innerhalb der zweiten optischen Kavität angeordnet, dass ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle innerhalb der photoaktiven Schicht liegt. In einem solchen Photodetektor unterscheidet sich die Länge der ersten optischen Kavität von der Länge der zweiten optischen Kavität und/oder die Ordnung der der zweiten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle von der Ordnung der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle. Dabei kann die Ordnung der Resonanzwelle des zweiten optoelektronischen Bauelements auch die 1. Ordnung sein. Vorzugsweise enthält auch mindestens eine Detektionszelle des zweiten optoelektronischen Bauelementseine erste Ladungstransportschicht und eine zweite Ladungstransportschicht, zwischen denen die photoaktive Schicht angeordnet ist. Das heißt, die genannten Schichten sind übereinander, also aneinander angrenzend, entlang der Länge der zweiten optischen Kavität angeordnet.
In einem solchen Photodetektor können das erste und das zweite optoelektronische Bauelement entlang einer Richtung senkrecht zur Länge der ersten und der zweiten optischen Kavität nebeneinander angeordnet sein. Diese Anordnung wird auch als laterale Anordnung bezeichnet. Dabei können sie voneinander beabstandet und physisch voneinander getrennt sein, so dass jedes optoelektronische Bauelement einzeln (separat) mit einer Auswerteeinheit verbindbar ist. Das erste und das zweite optoelektronische Bauelement können auch aneinander angrenzend angeordnet sein, wobei jedoch eine elektrische Trennung der Ladungstransportschichten, wenn vorhanden, und/oder der die elektrischen Signale nach außen führenden Schichten, wie bspw. Spiegelschichten, Zwischenschichten oder Kontaktschichten, der optoelektronischen Bauelemente, das heißt eine Pixelung dieser Schichten, notwendig ist. Eine vorgegebene laterale Anordnung verschiedener optoelektronischer Bauelemente kann auch ein- oder mehrmals wiederkehrend entlang einer Richtung senkrecht zur Länge der optischen Kavitäten nebeneinander, d.h. lateral nebeneinander, angeordnet sein. Damit kann ein bilderzeugendes System, ein sogenanntes Imagersystem, realisiert werden.
In anderen Ausführungsformen eines Photodetektors mit zwei optoelektronischen Bauelementen sind das erste und das zweite optoelektronische Bauelement übereinander angeordnet, so dass sich die Längen der ersten optischen Kavität und der zweiten optischen Kavität entlang einer gemeinsamen Linie erstrecken. Diese Anordnung wird auch als vertikale Anordnung bezeichnet. Dabei sind die erste und die zweite optische Kavität durch eine halbtransparente Spiegelschicht miteinander verbunden, das heißt, die erste optische Kavität und die zweite optische Kavität teilen sich diese halbtransparente Spiegelschicht, die in jedem der beiden optoelektronischen Bauelemente jeweils als ein Spiegel dient Mit diesem Aufbau, der einer Stapelung von optoelektronischen Bauelementen gleicht, kann zum einen die aktive Fläche des Photodetektors reduziert werden. Zum anderen ermöglicht dieser Aufbau einen selektiv auf bestimmte Einfallswinkel der einfallenden elektromagnetischen Strahlung reagierenden Photodetektor, bei dem ein optoelektronisches Bauelement mit einer großen Länge der optischen Kavität eine definierte Wellenlänge oder einen definierten Wellenlängenbereich in der einfallenden Strahlung unter großen Einfallswinkeln detektiert, während ein optoelektronisches Bauelement mit einer kleineren Länge der optischen Kavität die selbe definierte Wellenlänge bzw. den selben definierten Wellenlängenbereich in der einfallenden Strahlung unter kleinenEinfallswinkeln detektiert, wenn beide optoelektronischen Bauelemente Bauelemente der selben Ordnung sind. Selbstverständlich kann das winkelabhängige unterschiedliche Ansprechverhalten der beiden optoelektronischen Bauelemente nicht oder nicht nur über die Länge der optischen Kavität, sondern auch oder zusätzlich über verschiedene Ordnungen der optoelektronischen Bauelemente erreicht werden.
Ein Photodetektor zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt enthält ein erstes optoelektronisches Bauelement zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Dabei kann das bloße Vorhandensein oder Fehlen der ersten Wellenlänge in der auf den Photodetektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung (qualitative Aussage) und/oder die Intensität der Strahlung der ersten Wellenlänge in der einfallenden elektromagnetischen Strahlung (quantitative Aussage) detektiert werden. Das erste optoelektronische Bauelement weist eine erste optische Kavität, eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle und mindestens eine optisch transparente Abstandshalterschicht auf. Die erste optische Kavität wird durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet, wobei die Länge der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle 1. Ordnung in der ersten optischen Kavität ausbildet. Es gilt die bereits oben angegebene Formel (1).
Die in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle enthält eine photoaktive Schicht, die sich vorzugsweise über die gesamte Querschnittsfläche der ersten optischen Kavität erstreckt, wobei die Querschnittsfläche senkrecht zur Länge der ersten optischen Kavität verläuft. Dabei ist die photoaktive Schicht der Detektionszelle so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet, dass das Schwingungsmaximum der Resonanzwelle innerhalb der photoaktiven Schicht liegt. Damit ist die photoaktive Schicht vorzugsweise mittig in der ersten optischen Kavität bezogen auf deren Länge angeordnet.
Vorzugsweise weist die Detektionszelle weiterhin eine erste Ladungstransportschicht und eine zweite Ladungstransportschicht auf, wobei die photoaktive Schicht zwischen der ersten und der zweiten Ladungstransportschicht angeordnet ist. Die einzelnen Schichten sind übereinander entlang der Länge der ersten optischen Kavität angeordnet. Auch die erste und die zweite Ladungstransportschicht erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Querschnittsfläche der ersten optischen Kavität, wobei die erste Ladungstransportschicht an eine erste Oberfläche der photoaktiven Schicht und die zweite Ladungstransportschicht an eine zweite Oberfläche der photoaktiven Schicht angrenzen und die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche gegenüberliegt. Die Ladungstransportschichten dienen der Verbesserung der Ladungsextraktion aus der photoaktiven Schicht und deren Leitung hin zu elektrischen Kontakten, auch Elektroden genannt, welche die in der Detektionszelle erzeugten elektrischen Signale an eine Auswerteeinheit, die geeignet ist, diese auszuwerten, weiterleiten. Diese Ladungstransportschichten können sehr dünn ausgebildet sein, womit sie auch als Injektions- oder Extraktionsschichten bezeichnet werden können. Es müssen nicht immer zwangsläufig dotierte Schichten sein.
Die mindestens eine optisch transparente Abstandshalterschicht ist zwischen einer der Spiegelschichten und der Detektionszelle, das heißt zwischen der betreffenden Spiegelschicht und der photoaktiven Schicht oder zwischen der betreffenden Spiegelschicht und der zu dieser Spiegelschicht benachbarten Ladungstransportschicht der Detektionszelle, angeordnet. Die optisch transparente Abstandshalterschicht ist bezüglich ihrer optischen Eigenschaften wie oben dargelegt ausgebildet und außerdem elektrisch isolierend. Damit kann ein elektrisches Signal von der photoaktiven Schicht oder der entsprechenden Ladungstransportschicht nicht über die entsprechende benachbarte Spiegelschicht ausgelesen, das heißt einer Auswerteeinheit zugeführt, werden.
Erfindungsgemäß weist daher das erste optoelektronische Bauelement des Photodetektors gemäß dem zweiten Aspekt mindestens einen Außenkontakt auf, der an eine äußere Oberfläche der Detektionszelle, das heißt der photoaktiven Schicht oder der Ladungstransportschicht - wenn vorhanden -, die durch die mindestens eine Abstandshalterschicht von der benachbarten Spiegelschicht getrennt ist, angrenzt Der Außenkontakt besteht, aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie dies bereits mit Hinsicht auf den Photodetektor gemäß dem ersten Aspekt beschrieben wurde, und ist geeignet, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit verbunden zu werden, wobei die Auswerteeinheit geeignet ist, die von der Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements erzeugten elektrischen Signale auszuwerten.
Da auf eine elektrisch leitende Kontaktschicht, die sich über große Bereiche der Querschnittsfläche der ersten optischen Kavität erstreckt, verzichtet und der elektrische Kontakt statt dessen an die äußere Oberfläche der Detektionszelle verlegt wird, wird die optische Ausbreitung der Resonanzwelle in der optischen Kavität weniger gestört, wodurch die Kavitätsgüte der ersten optischen Kavität verbessert wird. Darüber hinaus können die im optischen Weg der Resonanzwelle angeordneten Schichten bezüglich ihrer Materialien auf ihre optischen Eigenschaften hin optimiert werden. Dies alles trägt zur Verbesserung des Detektionsergebnisses bei.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Photodetektors gemäß dem zweiten Aspekt isteine optisch transparente Abstandshalterschicht, wie bereits beschrieben, zwischen jeder der Spiegelschichten und der Detektionszelle, das heißt zwischen der betreffenden Spiegelschicht und der photoaktiven Schicht oder der zu dieser Spiegelschicht benachbarten Ladungstransportschicht der Detektionszelle, angeordnet, und das erste optoelektronische Bauelementweist mindestens zwei Außenkontakte auf, wobei jeweils ein Außenkontaktan die äußere Oberfläche der Detektionszelle auf einer ersten Seite und an die äußere Oberfläche der Detektionszelle auf einer zweiten Seite angrenzt. Dabei liegen sich die erste Seite und die zweite Seite der Detektionszelle entlang der Länge der ersten optischen Kavität gegenüber. Damit grenzt jeder Außenkontakt entweder an die äußere Oberfläche der photoaktiven Schicht an einer ersten oder zweiten Seite der Detektionszelle oder an eine äußere Oberfläche der ersten Ladungstransportschicht oder der zweiten Ladungstransportschicht, wenn vorhanden, an.
Ein Photodetektor zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Aspekt enthält ein erstes optoelektronisches Bauelement zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und ein zweites optoelektronisches Bauelement zur Detektion einer zweiten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Auch hier kann das bloße Vorhandensein oder Fehlen der ersten oder der zweiten Wellenlänge in der auf den Photodetektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung (qualitative Aussage) und/oder die Intensität der Strahlung der ersten oder der zweiten Wellenlänge in der einfallenden elektromagnetischen Strahlung (quantitative Aussage) detektiert werden.
Das erste optoelektronische Bauelement weist eine erste optische Kavität und mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle auf. Die erste optische Kavität wird durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet, wobei die Länge der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle i. Ordnung in der ersten optischen Kavität ausbildet. Es gilt die bereits oben angegebene Formel (1).
Jede in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle enthält eine photoaktive Schicht, wie dies bereits mit Bezug auf den Photodetektor gemäß dem ersten Aspekt erläutert wurde. Dabei ist die photoaktive Schicht einer Detektionszelle jeweils so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle i. Ordnung innerhalb der photoaktiven Schicht liegt. Auch dies entspricht dem ersten optoelektonischen Bauelement gemäß dem ersten Aspekt. Jedoch kann die Resonsanzwelle im Unterschied zum Photodetektor gemäß dem ersten Aspekt auch eine Resonanzwelle 1. Ordnung sein, d.h. i ≥ 1.
Das zweite optoelektronische Bauelement weist eine zweite optische Kavität und mindestens eine in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle auf. Die zweite optische Kavität wird durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten gebildet, wobei die Länge der zweiten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle j. Ordnung in der ersten optischen Kavität ausbildet. Es gilt die bereits oben angegebene Formel (1), wobei i durch j ersetzt wird.
Jede in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle enthält eine photoaktive Schicht, wie dies bereits mit Bezug auf das erste optoelektronische Bauelement erläutert wurde. Dabei ist die photoaktive Schicht einer Detektionszelle jeweils so innerhalb der zweiten optischen Kavität angeordnet, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle j. Ordnung innerhalb der photoaktiven Schicht liegt. Auch dies entspricht dem Aufbau des ersten optoelektonischen Bauelements. Auch hier kann die Resonsanzwelle eine Resonanzwelle 1. Ordnung oder höherer Ordnung sein.
Vorzugsweise weist mindestens eine Detektionszelle der ersten und/oder der zweiten optischen Kavität weiterhin eine erste Ladungstransportschicht und eine zweite Ladungstransportschicht auf, wie dies bereits mit Bezug auf den Photodetektor gemäß dem ersten Aspekt erläutert wurde.
Erfindungsgemäß unterscheiden sich die Länge der zweiten optischen Kavität von der Länge der ersten optischen Kavität und/oder die Ordnung der der zweiten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle von der Ordnung der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle. Dabei können auch die Resonanzwellen beider optoelektronischer Bauelemente Resonanzwellen 1. Ordnung sein. Des Weiteren sind das erste und das zweite optoelektronische Bauelement erfindungsgemäß übereinander angeordnet, so dass sich die Längen der ersten und der zweiten optischen Kavität entlang einer gemeinsamen Linie erstrecken, wobei die erste und die zweite optische Kavität durch eine halbtransparente Spiegelschicht, die jeweils eine der Spiegelschichten der ersten optischen Kavität und der zweiten optischen Kavität ist, miteinander verbunden sind.
Mit diesem Aufbau, der einer Stapelung von optoelektronischen Bauelementen gleicht, kann zum einen die aktive Fläche des Photodetektors reduziert werden. Zum anderen ermöglicht dieser Aufbau einen selektiv auf bestimmte Einfallswinkel der einfallenden elektromagnetischen Strahlung reagierenden Photodetektor, bei dem ein optoelektronisches Bauelement mit einer großen Länge der optischen Kavität eine definierte Wellenlänge in der einfallenden Strahlung unter großen Einfallswinkeln detektiert, während ein optoelektronisches Bauelement mit einer kleineren Länge der optischen Kavität die selbe definierte Wellenlänge in der einfallenden Strahlung unter kleinen Einfallswinkeln detektiert, wenn beide optoelektronischen Bauelemente Bauelemente der selben Ordnung sind.
Selbstverständlich kann das winkelabhängige unterschiedliche Ansprechverhalten der beiden optoelektronischen Bauelemente nicht oder nicht nur über die Länge der optischen Kavität, sondern auch oder zusätzlich über verschiedene Ordnungen der optoelektronischen Bauelemente erreicht werden.
Die halbtransparente Spiegelschicht, die zu beiden optoelektronischen Bauelementen gehört, besteht aus einem oder mehreren der bereits im Zusammenhang mit dem Photodetektor gemäß dem ersten Aspekt benannten Materialien, wobei die Dicke des Materials in Bezug auf die Reflektion der ersten oder der zweiten Wellenlänge und die Transparenz der jeweils anderen der ersten oder der zweiten Wellenlänge eingestellt ist. Dient die halbtransparente Spiegelschicht als elektrischer Kontakt zum Auslesen der in mindestens einem der beiden optoelektronischen Bauelemente erzeugten elektrischen Signale, so ist die halbtransparente Spiegelschicht elektrisch leitfähig.
In Ausführungsformen entspricht die Anzahl der in der ersten optischen Kavität und/oder in der zweiten optischen Kavität angeordneten Detektionszellen der Ordnung der jeweiligen Resonanzwelle.
In einem oder beiden optoelektronischen Bauelementen können, wie mit Bezug auf das erste optoelektronische Bauelement des Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt beschrieben, eine optisch transparente und elektrisch leitende Kontaktschicht oder eine Abstandhalterschicht zwischen einer der Spiegelschichten und einer zu dieser Spiegelschicht benachbarten Detektionszelle angeordnet sein. Ist eines der optoelektronischen Bauelemente ein Bauelement mit einer Ordnung größer 1, so können auch jeweils eine optisch transparente Abstandshalterschicht zwischen zwei, in der optischen Kavität dieses optoelektronischen Bauelements entlang der Länge dieser optischen Kavität übereinander angeordneten Detektionszellen oder eine oder mehrere optisch absorbierende Zwischenschichten ausgebildet sein.
Weiterhin kann mindestens eine der Detektionszellen des ersten optoelektronischen Bauelements oder des zweiten optoelektronischen Bauelements mindestens einen Außenkontakt aufweisen, der an eine äußere Oberfläche der photoaktiven Schicht oder einer der Ladungstransportschichten angrenzt, aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und geeignet ist, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit verbunden zu werden, wobei die Auswerteeinheit geeignet ist, die von der Detektionszelle erzeugten elektrischen Signale auszuwerten. Dabei ist auch hier die Ordnung der Resonanzwelle im entsprechenden optoelektronischen Bauelement nicht von Bedeutung.
Selbstverständlich können auch noch ein oder mehrere weitere optoelektronische Bauelemente über das erste und das zweite optoelektronische Bauelement gestapelt werden, wobei jeweils eine halbtransparente Spiegelschicht zwischen benachbarten optoelektronischen Bauelementen angeordnet ist und zu beiden benachbarten Bauelementen gehört.
Die Materialien der einzelnen Schichten der optoelektronischen Bauelemente eines Photodetektors gemäß dem zweiten oder dritten Aspekt der Erfindung gleichen den in Bezug auf die Schichten des optoelektronischen Bauelements des Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung genannten Materialien.
Der Photodetektor gemäß jedem der Aspekte der Erfindung kann auf einem Substrat ausgebildet und als Schutz vor Umwelteinflüssen von einer Einhausung oder Verkapselung umgeben sein. Dabei muss jedoch zumindest das Substrat oder die Einhausung transparent für die einfallende elektromagnetische Strahlung sein, damit diese auf den Photodetektor auftreffen kann.
Im Sinne der Erfindung können die Ausführungsformen oder einzelne Merkmale zur Ausgestaltung der optoelektronischen Bauelemente und des Photodetektors miteinander kombiniert werden, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Im Nachfolgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren verdeutlicht werden. Dabei sind die Abmessungen der einzelnen Elemente sowie deren Relation zueinander nicht maßstäblich, sondern nur schematisch wiedergegeben. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende gleichartige Bauteile.
Es zeigen im Längsschnitt, wenn nicht anders aufgeführt

1A eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das optoelektronische Bauelement ein Bauelement 2. Ordnung ist und zwei Detektionszellen aufweist,
1B eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das optoelektronische Bauelement ein Bauelement 2. Ordnung ist und eine Detektionszelle aufweist,
1C eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das optoelektronische Bauelement ein Bauelement 3. Ordnung ist und drei Detektionszellen aufweist,
2 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das optoelektronische Bauelement ein Bauelement 2. Ordnung ist und eine optisch absorbierende Zwischenschicht aufweist,
3 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das optoelektronische Bauelement ein Bauelement 2. Ordnung ist und Abstandshalterschichten sowie optisch transparente und elektrisch leitende Kontaktschichten aufweist,
4A eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das optoelektronische Bauelement ein Bauelement 2. Ordnung ist und Abstandshalterschichten sowie elektrische Außenkontakte aufweist,
4B eine Draufsicht auf einen Querschnitt durch den Photodetektor der 4A entlang der Linie A-A',
5A eine siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei der Photodetektor zwei optoelektronische Bauelemente aufweist, die nebeneinander angeordnet sind,
5B eine achte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei der Photodetektor zwei optoelektronische Bauelemente aufweist, die übereinander angeordnet sind,
6A eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, wobei das optoelektronische Bauelement ein Bauelement 1. Ordnung ist und elektrische Außenkontakte sowie optisch transparente Abstandshalterschichten aufweist,
6B eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, wobei die Detektionszelle Ladungstransportschichten umfasst, und
7 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung, wobei der Photodetektor zwei optoelektronische Bauelemente 1. Ordnung aufweist, die übereinander angeordnet sind.

Die 1A bis 5B zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Für alle Ausführungsformen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist charakteristisch, dass mindestens ein optoelektronisches Bauelement ein Bauelement zweiter oder höherer Ordnung ist.
1A zeigt eine erste Ausführungsform 1 des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Der Photodetektor 1 weist ein optoelektronisches Bauelement 100 auf, welches zwischen einem transparenten ersten Substrat 201, bspw. aus Glas oder transparentem Kunststoff, und einem zweiten Substrat 202 angeordnet ist. Das zweite Substrat 202 kann ebenfalls transparent sein, kann aber auch opak, halbtransparent oder reflektierend ausgebildet sein und kann bspw. eine Verkapselung aus Glas, Metal oder Kunststoff sein. Dabei beziehen sich die optischen Eigenschaften des ersten und des zweiten Substrats 201, 202 auf eine Strahlung mit der im Photodetektor 1 zu detektierenden ersten Wellenlänge. Aus einer Strahlungsquelle 300 fällt einfallende Strahlung 301, die bspw. ein breites Spektrum an Wellenlängen vom UV-Licht bis hin zur Infrarot-Strahlung, d.h. im Bereich von 100 nm bis 50 µm, oder auch nur verschiedene Wellenlängen eines Spektralbereiches, z.B. des Infrarot-Bereichs von 780 nm bis 50 µm, oder auch nur eine einzelne Wellenlänge in einem dieser Bereiche enthalten kann, auf den Photodetektor 1. Die einfallende Strahlung 301 kann bspw. Strahlung, die durch ein Medium, z.B. eine Flüssigkeit, hindurchgetreten ist, oder die von einem Medium, z.B. einem Festkörper, reflektiert wurde, sein oder eine direkt von der Strahlungsquelle 300 erzeugte Strahlung sein. Die einfallende Strahlung 301 kann, wie in 1A dargestellt, durch das erste Substrat 201 in das optoelektronische Bauelement 100 eintreten, kann aber auch durch das zweite Substrat 202 in das optoelektronische Bauelement 100 eintreten, wenn das zweite Substrat 202 entsprechend ausgebildet ist.
Das optoelektronische Bauelement 100 weist eine halbtransparente erste Spiegelschicht 11, die an das erste Substrat 201 angrenzend angeordnet ist, und eine zweite Spiegelschicht 12, die vollständig reflektierend und an das zweite Substrat 202 angrenzend angeordnet ist, auf. Beide Spiegelschichten 11, 12 bestehen beispielsweise aus Silber (Ag), wobei die erste Spiegelschicht 11 eine kleinere Dicke, bspw. 27 nm, aufweist als die zweite Spiegelschicht 12, welche bspw. eine Dicke von 100 nm hat. Die erste Spiegelschicht 11 und die zweite Spiegelschicht 12 sind parallel zueinander in einem Abstand L zueinander angeordnet und bilden damit zwischen sich eine optische Kavität aus. Die Länge der optischen Kavität, d.h. der Abstand L, sowie die Dicken der einzelnen Schichten des optoelektronischen Bauelements 100 werden jeweils senkrecht zu den parallelen Ebenen der Spiegelschichten 11 und 12 gemessen. Für spezifische erste Wellenlängen der einfallenden Strahlung 301 bilden sich gemäß der bereits erwähnten Formel (1) stehende Resonanzwellen verschiedener Ordnungen und entsprechender Resonanzwellenlängen in der optischen Kavität aus. Beispielhaft ist eine Resonanzwelle 13 2. Ordnung in 1A dargestellt, deren Wellenlänge mit der im Photodetektor 1 zu detektierenden ersten Wellenlänge über die effektive Brechzahl der optischen Kavität und der im Strahlungsweg vorhandenen Schichten, bspw. des ersten Substrats 201 und der ersten Spiegelschicht 11, verbunden ist. In der optischen Kavität, d.h. zwischen den Spiegelschichten 11 und 12, sind zwei Detektionszellen 21 und 22 zur Detektion der Resonanzwelle angeordnet. Dabei enthält jede Detektionszelle 21, 22 eine photoaktive Schicht 210 bzw. 220, an die jeweils auf der einen Seite in Bezug auf die Länge der optischen Kavität eine erste Ladungstransportschicht 211 bzw. 221 und jeweils auf der anderen Seite in Bezug auf die Länge der optischen Kavität eine zweite Ladungstransportschicht 212 bzw. 222 angrenzen. Die erste Ladungstransportschicht 211 bzw. 221 ist bspw. ein löcherleitendes Material, während die zweite Ladungstransportschicht 212 bzw. 222 ein elektronenleitendes Material ist. Die photoaktiven Schichten 210, 220 bestehen bspw. aus TPDP:C60 und weisen eine Dicke von 100 nm auf. Dabei sind die photoaktiven Schichten 210, 220 jeweils so innerhalb der optischen Kavität angeordnet, dass jeweils genau ein Intensitätsmaximum (auch Schwingungsbauch genannt) der Resonanzwelle 13 innerhalb einer der photoaktiven Schichten 210, 220 liegt. Da die von dem optoelektronischen Bauelement 100 detektierte Resonanzwelle 13 eine Welle 2. Ordnung ist, wird das optoelektronische Bauelement 100 als Bauelement 2. Ordnung bezeichnet.
Die erste Ladungstransportschicht 211 der ersten Detektionszelle 21 grenzt an die zweite Spiegelschicht 12 und die zweite Ladungstransportschicht 222 der zweiten Detektionszelle 22 grenzt an die erste Spiegelschicht 11 an. Darüber hinaus grenzen die zweite Ladungstransportschicht 212 der ersten Detektionszelle 21 und die erste Ladungstransportschicht 221 der zweiten Detektionszelle 22 aneinander. Die in den Detektionszellen 21 und 22 generierten elektrischen Signale werden durch die Spiegelschichten 11 und 12, welche elektrisch leitfähig und mit einer Auswerteeinheit elektrisch leitend verbunden sind, weitergeleitet, wobei die Auswerteeinheit geeignet ist, aus den elektrischen Signalen eine qualitative und/oder quantitative Aussage zu der in der einfallenden Strahlung 301 enthaltenen Strahlung der ersten Wellenlänge zu generieren.
Mit Bezug auf die 1B und 1C soll der Begriff der Ordnung in Bezug auf das optoelektronische Bauelement weiter erläutert werden. Auf die Darstellung der Substrate sowie der Strahlungsquelle wird in den meisten der folgenden Figuren verzichtet.
1B zeigt ein optoelektronisches Bauelement 101 einer zweiten Ausführungsform 2 des Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Im Unterschied zu dem optoelektronischen Bauelement 100 der 1A ist in der optischen Kavität des optoelektronischen Bauelements 101 nur eine Detektionszelle 21 angeordnet, die wie in Bezug auf die 1A beschrieben ausgebildet ist. Anstelle der zweiten Detektionszelle 22 des optoelektronischen Bauelements 100 der 1A sind nunmehr eine optisch absorbierende und elektrisch leitende Zwischenschicht 30 und eine optisch transparente Abstandshalterschicht 40 zwischen der Detektionszelle 21 und der ersten Spiegelschicht 11 angeordnet. Dabei ist die photoaktive Schicht 210 der Detektionszelle 21 wieder in genau einem Intensitätsmaximum der Resonanzwelle 13, die wieder eine Resonanzwelle 2. Ordnung ist, angeordnet, während die Zwischenschicht 30 im mittleren Knotenpunkt der Resonanzwelle 13 angeordnet ist. Da die Zwischenschicht 30 optisch absorbierend ausgestaltet ist, werden alle weiteren Resonanzwellen, die sich in der optischen Kavität zwischen den Spiegelschichten 11 und 12 prinzipiell ausbilden würden und deren Schwingungsknoten nicht in der Zwischenschicht 30 liegen, ausgelöscht. So werden vor allem die Resonanzwellen benachbarter Ordnungen, also die Resonanzwellen 1. Ordnung und 3. Ordnung, ausgelöscht.
Im in 1B dargestellten Fall ist die Abstandshalterschicht 40 aus einem Material, welches nicht oder nur schlecht elektrisch leitfähig ist, z.B. aus Al₂O₃. Daher dient die Zwischenschicht 30 auch als Kontaktschicht zur Weiterleitung der in der Detektionszellen 21 generierten elektrischen Signale an eine Auswerteeinheit und ist dazu aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Ag:Ca, und mit einer Dicke von bspw. 6nm, ausgebildet, wobei die Zwischenschicht 30 mit der Auswerteeinheit elektrisch leitend verbunden ist. Dazu ist die Zwischenschicht 30 so ausgebildet, dass sie über den seitlichen Rand der anderen Schichten in der optischen Kavität hinaussteht und bspw. über Klemmen oder andere Verbindungselemente, z.B. Bonddrähte, mit einer elektrischen Leitung zur Auswerteeinheit verbunden werden kann. Ist das Material der Abstandshalterschicht elektrisch leitfähig, kann die Zwischenschicht auch absorbierend und nur wenig elektrisch leitfähig ausgestaltet sein. Darüber hinaus kann auch auf die Zwischenschicht ganz verzichtet werden, wenn der Effekt der Auslöschung anderer Resonanzwellen nicht gewünscht ist Genauso ist es in anderen Ausführungsformen auch möglich, die Zwischenschicht nicht absorbierend, aber elektrisch leitfähig auszugestalten, so dass eine elektrische Verbindung der Detektionszelle 21 zur Auswerteeinheit über die Zwischenschicht möglich ist, jedoch keine Auslöschung von Resonanzwellen erfolgt.
Obwohl das optoelektronische Bauelement 101 nur eine Detektionszelle 21 aufweist, ist auch das optoelektronische Bauelement 101 ein Bauelement 2. Ordnung, da es eine Resonanzwelle 2. Ordnung detektiert und auswertet.
In 1C ist ein optoelektronisches Bauelement 102 einer dritten Ausführungsform 3 des Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung dargestellt. Hier wird eine Resonanzwelle 14 3. Ordnung detektiert, so dass das optoelektronische Bauelement 102 ein Bauelement 3. Ordnung ist. Das optoelektronische Bauelement 102 weist drei Detektionszellen 21 bis 23 auf, die jeweils eine photoaktive Schicht 210, 220 bzw. 230 und zwei Ladungstransportschichten 211 und 212 bzw. 221 und 222 bzw. 231 und 232 enthalten und in der optischen Kavität übereinander angeordnet sind. Dabei sind die photoaktiven Schichten 210, 220 und 230 jeweils so in der optischen Kavität angeordnet, dass in jeder der photaktiven Schichten 210, 220 bzw. 230 genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle 14 liegt. Selbstverständlich könnte das optoelektronische Bauelement 102 auch nur eine oder zwei Detektionszellen aufweisen, wobei es weiterhin ein Bauelement 3. Ordnung ist, solange die jeweiligen photoaktiven Schichten der Detektionszellen jeweils am Ort genau eines Schwingungsmaximums der Resonanzwelle 14 liegen.
Mit Bezug auf die 2 bis 4B werden weitere Ausführungsformen des optoelektronischen Bauelements des Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben, wobei jeweils beispielhaft Bauelemente 2. Ordnung dargestellt sind. So zeigt 2 ein optoelektronisches Bauelement 103 einer vierten Ausführungsform 4 des Photodetektors, wobei das optoelektronische Bauelement 103 zwei Detektionszellen 21 und 22 aufweist. Zwischen den Detektionszellen 21 und 22 ist eine optisch absorbierende Zwischenschicht 31, die jedoch nicht elektrisch leitfähig ist, angeordnet. Jedoch darf die Zwischenschicht 31 den Ladungstransport nicht behindern, wenn die einzelnen Detektionszellen 21 und 22 nicht einzeln elektrisch nach außen kontaktiert sind, wie dies in 2 dargestellt ist. In diesem Fall ist die Zwischenschicht 31 für mindestens eine Ladungsträgerart, also Elektronen oder Löcher, oder für beide leitfähig. Dies kann durch eine sehr dünne Ausbildung der Zwischenschicht 31 erreicht werden. So kann die Zwischenschicht 31 bspw. aus einer Metallschicht z.B. Ag, oder einer Metallmischschicht, z.B. Ag:Ca, mit einer Dicke im Bereich von 1 nm bis 5 nm bestehen. Die Zwischenschicht 31 kann auch aus einer sehr dünnen, hochdotierten und im entsprechenden Wellenlängenbereich der Resonanzwelle absorbierenden organischen Schicht bestehen, z.B. BFDPB:NDP9 mit einer Dicke von 1 nm. Alternativ kann die Zwischenschicht 31 auch als strukturierte Schicht vorliegen und Löcher aufweisen, die einen Ladungstransport von einer benachbarten Schicht in eine andere benachbarte Schicht ermöglichen, während die vorhandenen Bereiche der Zwischenschicht 31 zu einer Auslöschung der Resonanzwellen benachbarter Ordnungen führen. Die Zwischenschicht 31 dient der Auslöschung von Resonanzwellen benachbarter Ordnungen (benachbart zur Ordnung der Resonanzwelle 13). Um eine Auslöschung der Resonanzwelle 13 zu vermeiden, ist die Zwischenschicht 13 innerhalb der optischen Kavität an einer Stelle des mittleren Schwingungsknotens der Resonanzwelle 13 angeordnet und nur dünn, bspw. mit einer Dicke im Bereich von 1 nm bis 5 nm, ausgebildet. Die Verbindung zur Auswerteeinheit wird wie beim optoelektronischen Bauelement 100 der 1A über die elektrisch leitfähigen Spiegelschichten 11 und 12 hergestellt, kann in anderen Ausführungsformen aber auch anders realisiert werden.
Für optoelektronische Bauelemente höherer Ordnung, die zur Detektion von Resonanzwellen höherer Ordnung als der 2. Ordnung ausgebildet sind, sind vorzugsweise mehrere optisch absorbierende Zwischenschichten ausgebildet. Diese sind jeweils so angeordnet, dass jeder Schwingungsknoten der Resonanzwelle in genau einer optisch absorbierenden Zwischenschicht liegt.
3 zeigt ein optoelektronisches Bauelement 104 einer fünften Ausführungsform 5 des Photodetektors, wobei in der optischen Kavität des optoelektronischen Bauelements 104 zusätzlich zu den Detektionszellen 21 und 22 Abstandshalterschichten 40 und elektrisch leitfähige, optisch transparente Kontaktschichten 50 angeordnet sind. Die Detektionszellen 21 und 22 sind jeweils voneinander und von den benachbarten Spiegelschichten 11 bzw. 12 durch die Abstandshalterschichten 40 beabstandet Da die Abstandshalterschichten 40 im vorliegenden Fall nicht oder nur schlecht elektrisch leitfähig sind und damit kein elektrischer Kontakt zu den Detektionszellen 21 und 22 über die Spiegelschichten 11 bzw. 12 möglich ist, werden die von den Detektionszellen 21 und 22 generierten elektrischen Signale über die Kontaktschichten 50 an die Auswerteeinheit weitergeleitet. Dazu sind die Kontaktschichten 50 jeweils an die erste und die zweite Ladungstransportschicht 211 und 212 bzw. 221 und 222 angrenzend und zwischen diesen und den Abstandshalterschichten 40 angeordnet und können jeweils mit der Auswerteeinheit elektrisch leitend verbunden werden. Dabei sind die Kontaktschichten 50 flächig ausgebildet, d.h. sie sind jeweils über die gesamte laterale Ausdehnung der Ladungstransportschichten 211, 212, 221 und 222 ausgebildet. Da die Kontaktschichten 50 in Bereichen der optischen Kavität angeordnet sind, in denen die Intensität der Resonanzwelle 13 keinen Knotenpunkt, sondern eine Intensität ungleich 0 (Null) aufweist, müssen die Kontaktschichten 50 aus einem optisch transparenten Material bestehen, um ein Auslöschen der Resonanzwelle 13 zu vermeiden. Die Kontaktschichten 50 können bspw. aus PEDOT:PSS, ITO, ZnO oder anderen leitfähigen Oxiden bestehen und jeweils eine Dicke von bspw. 10 nm bis 40 nm aufweisen. Auch hier stehen die Kontaktschichten 50 seitlich etwas über die anderen Schichten in der optischen Kavität hervor, um eine elektrische Verbindung zur Auswerteeinheit realisieren zu können, wie dies bereits mit Bezug auf die Zwischenschicht 30 in 1B erläutert wurde.
Eine weitere Möglichkeit der elektrischen Kontaktierung zur Auswerteeinheit ist mit Bezug auf ein optoelektronisches Bauelement 105 einer sechsten Ausführungsform 6 des Photodetektors in den 4A und 4B dargestellt. Dabei unterscheidet sich das optoelektronische Bauelement 105 von dem optoelektronischen Bauelement 104 aus 3 dadurch, dass es keine flächig ausgebildeten Kontaktschichten gibt, sondern die elektrische Verbindung zwischen den Ladungstransportschichten 211, 212, 221 und 222 jeweils über elektrische Außenkontakte 60 erfolgt. Die Außenkontakte 60 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Ag, und grenzen zumindest an einen Teil der äußeren Oberfläche der Ladungstransportschichten 211, 212, 221 und 222 an. Dabei erstreckt sich eine äußere Oberfläche der Ladungstransportschichten 211, 212, 221 und 222 entlang der Länge der optischen Kavität und grenzt nicht an eine andere Schicht des optoelektronischen Bauelements 104, außer die Außenkontakte 60, an. Die Außenkontakte 60 können auch mit einem Teil der Ladungstransportschichten 211, 212, 221 und 222 überlappen, d.h. an eine Oberfläche der Ladungstransportschichten 211, 212, 221 und 222 angrenzen, die sich parallel zu den Spiegelschichten 11, 12 erstreckt, oder können auch in die Ladungstransportschichten 211, 212, 221 und 222 hineinragen. Jedoch erstrecken sich die Außenkontakte 60 nicht über die gesamte laterale Ausdehnung der Ladungstransportschichten 211, 212, 221 und 222 Durch dieses Hineinziehen der Außenkontakte in die optische Kavität hinein, wird der aktive Bereich des optoelektronischen Bauelements, das heißt der Bereich, in dem stehende Wellen entstehen können, lateral, d.h. in einer Ebene senkrecht zur Länge der optischen Kavität, begrenzt. Darüber hinaus können die äußeren Kontakte auch als optische Aperturmaske dienen. Damit beeinflussen die Außenkontakte 60 kaum die optische Entstehung bzw. Ausbreitung der Resonanzwelle 13. Vorzugsweise umgeben die Außenkontakte 60 die Ladungstransportschichten 211, 212, 221 und 222 entlang des gesamten Umfangs der äußeren Oberfläche im Querschnitt durch das optoelektronische Bauelement, wie dies in 4B dargestellt ist. 4B zeigt einen Querschnitt durch das optoelektronische Bauelement 105 der 4A entlang der Linie A-A'. Der elektrische Außenkontakt 60 bildet hier einen Rahmen um die erste Ladungstransportschicht 211. An die elektrischen Außenkontakte 60 können wieder elektrische Verbindungselemente oder Verbindungsleitungen zur Auswerteeinheit angreifen, wie dies bereits mit Bezug auf 1B beschrieben ist.
Selbstverständlich sind auch andere Kombinationen der in den 1A bis 4B beschriebenen Aufbauten und Schichten des optoelektronischen Bauelements möglich, wobei eine Optimierung verschiedener Schichten hinsichtlich ihrer optischen und/oder elektrischen Eigenschaften und eine Optimierung des optoelektronischen Bauelements hinsichtlich seiner Detektionseigenschaften und/oder seiner Herstellung möglich ist.
Mit Bezug auf die 5A und 5B werden Ausführungsformen des Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben, wobei der Photodetektor jeweils zwei optoelektronische Bauelemente aufweist, die zur Detektion unterschiedlicher Wellenlängen in der einfallenden Strahlung geeignet sind. Selbstverständlich kann die Anzahl der optoelektronischen Bauelemente beliebig erweitert und beide Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden.
Die 5A zeigt eine siebte Ausführungsform 7 des Photodetektors mit zwei optoelektronischen Bauelementen 106 und 107, wobei diese lateral nebeneinander angeordnet sind. Das heißt, die optoelektronischen Bauelemente 106 und 107 sind nebeneinander entlang einer Richtung, die senkrecht zu den Längen der optischen Kavitäten der beiden Bauelemente 106 und 107 verläuft, angeordnet. Im dargestellten Fall sind die beiden Bauelemente 106 und 107 auf dem transparenten ersten Substrat 201 nebeneinander angeordnet und von dem zweiten Substrat 202 in Form einer Verkapselung gegenüber der Umwelt abgegrenzt. Das erste optoelektronische Bauelement 106 weist eine erste Spiegelschicht 11a, eine zweite Spiegelschicht 12a sowie zwei Detektionszellen 21a und 22a auf, wobei die erste optische Kavität, die zwischen den Spiegelschichten 11a und 12a ausgebildet ist, eine Länge L_a hat. Das zweite optoelektronische Bauelement 107 weist eine erste Spiegelschicht 11b, eine zweite Spiegelschicht 12b sowie zwei Detektionszellen 21b und 22b auf, wobei die zweite optische Kavität, die zwischen den Spiegelschichten 11b und 12b ausgebildet ist, eine Länge L_b hat. Dabei ist L_b < L_a im dargestellten Fall. Beide optoelektronische Bauelemente 106 und 107 sind Bauelemente 2. Ordnung, wobei bei gleichen Materialien für die einzelnen Schichten der Bauelemente 106 und 107 das erste optoelektronische Bauelement 106 eine erste Wellenlänge, die mit der ausgebildeten ersten Resonanzwelle 13a korrespondiert, und das zweite optoelektronische Bauelement 107 eine zweite Wellenlänge, die mit der ausgebildeten zweiten Resonanzwelle 13b korrespondiert, detektieren kann, wobei die erste Wellenlänge größer als die zweite Wellenlänge ist. Jedoch können sich die optoelektronischen Bauelemente in anderen Ausführungsformen auch in Bezug auf die Ordnung der jeweiligen Resonanzwelle bei gleicher Länge der optischen Kavität oder in Bezug auf die Ordnung der jeweiligen Resonanzwelle und die Länge der optischen Kavität unterscheiden. Die ersten Spiegelschichten 11a und 11b sowie die zweiten Spiegelschichten 12a und 12b dienen im dargestellten Fall dem Auslesen der in den optoelektronischen Bauelementen 106 und 107 generierten elektrischen Signale und sind dazu mit einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt) elektrisch leitend verbunden. In anderen Ausführungsformen können die elektrischen Signale auch über die mit Bezug auf die 1B und 3 bis 4B dargestellten Zwischen- oder Kontaktschichten oder Außenkontakte an die Auswerteeinheit übermittelt werden, wobei die Detektionszellen elektrisch von einer oder beiden Spiegelschichten des jeweiligen Bauelements isoliert sein können. In diesem Fall können elektrisch von einer benachbarten Detektionszelle isolierte Spiegelschichten unterschiedlicher optoelektronischer Bauelemente auch gemeinsam und miteinander verbunden ausgebildet sein.
Die 5B zeigt eine achte Ausführungsform 8 des Photodetektors mit zwei optoelektronischen Bauelementen 108 und 109, wobei diese übereinander angeordnet sind. Das heißt, die Längen der ersten optischen Kavität und der zweiten optischen Kavität der optoelektronischen Bauelemente 108 und 109 erstrecken sich entlang einer gemeinsamen Linie, wobei die erste und die zweite optische Kavität durch eine halbtransparente Spiegelschicht miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten: Die optoelektronischen Bauelemente 108 und 109 sind übereinander gestapelt, so dass die einfallende Strahlung eines der beiden optoelektronischen Bauelemente erst erreicht, wenn sie das andere optoelektronische Bauelement durchlaufen hat. Im dargestellten Fall tritt die einfallende Strahlung 301 erst nach Durchlaufen des optoelektronischen Bauelements 108 in das optoelektronische Bauelement 109 ein.
Das erste optoelektronische Bauelement 108 weist eine halbtransparente Spiegelschicht 11, eine halbtransparente Spiegelschicht 11' sowie zwei Detektionszellen 21a und 22a auf, wobei die erste optische Kavität, die zwischen den Spiegelschichten 11 und 11' ausgebildet ist, eine Länge L_a hat. Das zweite optoelektronische Bauelement 109 weist die halbtransparente Spiegelschicht 11', eine zweite Spiegelschicht 12 sowie zwei Detektionszellen 21b und 22b auf, wobei die zweite optische Kavität, die zwischen den Spiegelschichten 11' und 12 ausgebildet ist, eine Länge L_b hat. Dabei ist im dargestellten Fall L_b < L_a . Aber auch L_b > L_a ist möglich. Beide optoelektronische Bauelemente 108 und 109 sind Bauelemente 2. Ordnung, wobei bei gleichen Materialien für die einzelnen Schichten der Bauelemente 108 und 109 das erste optoelektronische Bauelement 108 eine erste Wellenlänge, die mit der ausgebildeten ersten Resonanzwelle 13a korrespondiert, und das zweite optoelektronische Bauelement 109 eine zweite Wellenlänge, die mit der ausgebildeten zweiten Resonanzwelle 13b korrespondiert, detektieren kann, wobei die erste Wellenlänge größer als die zweite Wellenlänge ist. Jedoch können sich die optoelektronischen Bauelemente in anderen Ausführungsformen auch in Bezug auf die Ordnung der jeweiligen Resonanzwelle bei gleicher Länge der optischen Kavität oder in Bezug auf die Ordnung der jeweiligen Resonanzwelle und die Länge der optischen Kavität unterscheiden.
Damit ist es mit der achten Ausführungsform 8 des Photodetektors möglich, platzsparend zwei verschiedene Wellenlängen in der einfallenden Strahlung 301 zu detektieren. Es können auch noch ein oder mehrere weitere optoelektronische Bauelemente übereinander gestapelt werden, so dass auch mehr als zwei verschiedene Wellenlängen mit einem Photodetektor, der nur den lateralen Platz eines optoelektronischen Bauelements benötigt, detektiert werden können.
Darüber hinaus ist mit dieser Ausführungsform die Ausbildung eines Photodetektors, der selektiv auf den Einfallswinkel α der einfallenden Strahlung 301 reagiert, möglich. Dabei würde bspw. das optoelektronische Bauelement 108 unter großen Einfallswinkeln α das Vorhandensein der zur Wellenlänge der ersten Resonanzwelle 13a gehörenden ersten Wellenlänge in der einfallenden Strahlung 301 detektieren, während das optoelektronische Bauelement 109 für kleine Einfallswinkel α das Vorhandensein derder ersten Wellenlänge in der einfallenden Strahlung 301 über die Detektion der dazugehörigen zweiten Resonanzwelle 13b detektiert. Da. Dabei korrespondieren diedie Wellenlänge der ersten und der zweiten Resonanzwelle 13a, 13b mit der ersten Wellenlänge in der einfallenden Strahlung 301 und dem Einfallswinkel α.
Die Spiegelschichten 11, 11' und 12 dienen im dargestellten Fall dem Auslesen der in den optoelektronischen Bauelementen 108 und 109 generierten elektrischen Signale und sind dazu mit einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt) elektrisch leitend verbunden. In anderen Ausführungsformen können die elektrischen Signale auch über die mit Bezug auf die 1B und 3 bis 4B dargestellten Zwischen- oder Kontaktschichten oder Außenkontakte an die Auswerteeinheit übermittelt werden, wobei die Detektionszellen elektrisch von einer oder beiden Spiegelschichten des jeweiligen Bauelements isoliert sein können.
Selbstverständlich können in einem Photodetektor auch beide mit Bezug auf die 5A und 5B erläuterten Ausführungsformen gleichzeitig ausgebildet sein, d.h. es können sowohl verschiedene optoelektronische Bauelemente übereinander, als auch nebeneinander angeordnet sein. Darüber hinaus können die optoelektronischen Bauelemente auch jeweils gemäß einer der mit Bezug auf die 1B, und 2 bis 4B beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein, d.h. sie können Abstandshalterschichten, optisch absorbierende Zwischenschichten, optisch absorbierende und elektrisch leitende Zwischenschichten, optisch transparente und elektrisch leitende Kontaktschichten und/oder elektrische Außenkontakte aufweisen, wobei verschiedene optoelektronische Bauelemente verschieden ausgeführt sein können.
6A zeigt eine erste Ausführungsform 9 des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann der Photodetektor auch nur ein optoelektronisches Bauelement 1. Ordnung aufweisen. Dies ist in 6A das optoelektronische Bauelement 110, welches eine halbtransparente erste Spiegelschicht 11 und eine zweite Spiegelschicht 12 sowie in der zwischen diesen Spiegelschichten 11, 12 vorhandenen optischen Kavität eine Detektionszelle 21' aufweist. Die Detektionszelle 21' weist eine photoaktive Schicht 210, jedoch keine Ladungstransportschichten auf. Dabei ist die photoaktive Schicht 210 in der optischen Kavität so angeordnet, dass ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle 15, welche eine Resonanzwelle 1. Ordnung ist, innerhalb der photoaktiven Schicht 210 liegt. Die photoaktive Schicht 210 ist von den Spiegelschichten 11 bzw. 12 jeweils durch Abstandshalterschichten 40, die optisch transparent und elektrisch isolierend sind, beabstandet. Die photoaktive Schicht 210 ist über mindestens zwei elektrische Außenkontakte 60', ähnlich ähnlich den bereits mit Bezug auf die 4A und 4B erläuterten Außenkontakten 60, mit einer Auswerteeinheit verbindbar, so dass die in der Detektionszelle 21 erzeugten elektrischen Signale ausgelesen werden können. Die Außenkontakte 60' bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Ag, und grenzen zumindest an einen Teil der äußeren Oberfläche der photoaktiven Schicht 210 an. Dabei erstreckt sich eine äußere Oberfläche der photoaktiven Schicht 210 entlang der Länge der optischen Kavität und grenzt nicht an eine andere Schicht des optoelektronischen Bauelements 110, außer die Außenkontakte 60', an. Die Außenkontakte 60' können auch mit einem Teil der photoaktiven Schicht 210 überlappen, d.h. an eine Oberfläche der photoaktiven Schicht 210 angrenzen, die sich parallel zu den Spiegelschichten 11, 12 erstreckt, oder können auch in die photoaktive Schicht 210 hineinragen. Jedoch erstrecken sich die Außenkontakte 60' nicht über die gesamte laterale Ausdehnung der photoaktiven Schicht 210, sondern maximal über einen kleinen Teil, maximal 10% der gesamten lateralen Ausdehnung. Vorzugsweise umgeben die Außenkontakte 60' die photoaktive Schicht entlang des gesamten Umfangs der äußeren Oberfläche im Querschnitt durch das optoelektronische Bauelement, ähnlich wie dies in 4B für die Außenkontakte 60 dargestellt ist. Auf jeden Fall ist einer der Außenkontakte 60' auf einer ersten Seite der photoaktiven Schicht 210 und ein anderer der Außenkontakte 60' auf einer zweiten Seite der photoaktiven Schicht 210 angeordnet, wobei die erste Seite und die zweite Seite entlang der Länge der optischen Kavität voneinander beabstandet sind und einander gegenüberliegen. Dabei liegt die erste Seite der ersten Spiegelschicht 11 näher, während die zweite Seite der zweiten Spiegelschicht 12 näher liegt. Dabei ist die photoaktive Schicht 210 mindestens so dick ausgebildet, dass der Außenkontakt 60' auf der ersten Seite der photoaktiven Schicht 210 elektrisch getrennt, d.h. isoliert, von dem Außenkontakt 60' auf der zweiten Seite der photoaktiven Schicht 210 ist. Durch die Trennung der optischen und elektrischen Funktionen der einzelnen Schichten voneinander, bspw. der reflektierenden Funktion der Spiegelschichten 11, 12 von einer elektrischen Leitfähigkeit nach außen, können alle Bestandteile des optoelektronischen Bauelements 110 entweder in Bezug auf ihre optischen oder ihre elektrischen Eigenschaften optimiert werden. Durch die Nutzung der Außenkontakte 60' werden optische Verluste innerhalb der optischen Kavität weiter reduziert und damit die Güte und Effektivität der Detektion des Photodetektors weiter verbessert.
6B zeigt eine zweite Ausführungsform 9' des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Die zweite Ausführungsform 9' ist ähnlich zur ersten Ausführungsform 9 ausgebildet. Jedoch weist die Detektionszelle 21 des optoelektronischen Bauelements 110' neben einer photoaktiven Schicht 210 auch eine erste Ladungstransportschicht 211 und eine zweite Ladungstransportschicht 212 auf, ähnlich wie die bisher beschriebenen Detektionszellen eines Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt Die Ladungstransportschichten 211 und 212 sind von den zu ihnen benachbarten Spiegelschichten 11 bzw. 12 jeweils durch Abstandshalterschichten 40, die optisch transparent und elektrisch isolierend sind, beabstandet. Die Ladungstransportschichten 211 und 212 sind jeweils über elektrische Außenkontakte 60, wie sie bereits mit Bezug auf die 4A und 4B erläutert wurden, mit einer Auswerteeinheit verbindbar, so dass die in der Detektionszelle 21 erzeugten elektrischen Signale ausgelesen werden können. Die photoaktive Schicht 210 in dieser Ausführungsform kann dünner ausgebildet sein als in der ersten Ausführungsform 9. Auch hier können alle Bestandteile des optoelektronischen Bauelements 110' entweder in Bezug auf ihre optischen oder ihre elektrischen Eigenschaften optimiert werden. Durch die Nutzung der Außenkontakte 60 werden optische Verluste innerhalb der optischen Kavität weiter reduziert und damit die Güte und Effektivität der Detektion des Photodetektors weiter verbessert.
7 zeigt eine Ausführungsform 10 des erfindungsgemäßen Photodetektors gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung. Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist der Photodetektor, ähnlich wie die achte Ausführungsform 8 des Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, zwei übereinander angeordnete optoelektronische Bauelemente auf, wobei jedoch beide optoelektronischen Bauelemente Bauelemente 1. Ordnung sein können. Entsprechend weist der Photodetektor 10 in der dargestellten Ausführungsform zwei optoelektronische Bauelemente 111 und 112 auf, die übereinander angeordnet sind, so dass sich die Längen der optischen Kavitäten beider Bauelemente 111 und 112 entlang einer gemeinsamen Linie erstrecken. Das erste optoelektronische Bauelement 111 weist eine halbtransparente Spiegelschicht 11 und eine halbtransparente Spiegelschicht 11' sowie eine dazwischen angeordnete Detektionszelle 21a auf, wobei die entsprechende photoaktive Schicht der Detektionszelle 21a im Schwingungsmaximum der Resonanzwelle 15a, die eine Resonanzwelle 1. Ordnung ist, liegt. Die optische Kavität des optoelektronischen Bauelements 111 hat dabei eine Länge L_a , die mit einer ersten zu detektierenden Wellenlänge in der einfallenden Strahlung korrespondiert. Das zweite optoelektronische Bauelement 112 weist die halbtransparente Spiegelschicht 11' und eine Spiegelschicht 12 sowie eine dazwischen angeordnete Detektionszelle 21b auf, wobei die entsprechende photoaktive Schicht der Detektionszelle 21b im Schwingungsmaximum der Resonanzwelle 15b, die ebenfalls eine Resonanzwelle 1. Ordnung ist, liegt. Die optische Kavität des optoelektronischen Bauelements 112 hat dabei eine Länge L_b , die mit einer zweiten zu detektierenden Wellenlänge in der einfallenden Strahlung korrespondiert und im dargestellten Beispiel kleiner als die Länge L_a ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann aber L_b auch größer als L_a sein.
Wie mit Bezug auf die 5B beschrieben, kann auch die Abhängigkeit der Wellenlänge der Resonanzwellen 15a, 15b vom Einfallswinkel der einfallenden Strahlung für eine winkelselektive Detektion bestimmter Wellenlängen in der einfallenden Strahlung genutzt werden.
Die beiden optoelektronischen Bauelemente 111 und 112 teilen sich die halbtransparente Spiegelschicht 11'. In der dargestellten Ausführungsform dienen die Spiegelschichten 11, 11' und 12 zum Auslesen der in den Detektionszellen 21a und 21b generierten elektrischen Signale und sind dazu mit einer Auswerteeinheit elektrisch leitend verbindbar. Selbstverständlich können in anderen Ausführungsformen auch andere Möglichkeiten zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zu den Ladungstransportschichten der Detektionszellen, z.B. optisch transparente und elektrisch leitfähige Kontaktschichten oder elektrische Außenkontakte, wie sie oben beschrieben wurden, realisiert werden und/oder die Detektionszellen durch Abstandshalterschichten von benachbarten Spiegelschichten beabstandet sein.
Im Sinne der Erfindung können die Ausführungsformen oder einzelne Merkmale der verschiedenen Aspekte oder Ausführungsformen zur Ausgestaltung des Photodetektors auch miteinander kombiniert werden, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Bezugszeichenliste

1-8: Photodetektor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung
9, 9': Photodetektor gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung
10: Photodetektor gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung
100-112, 110': Optoelektronisches Bauelement
11, 11a, 11b: Erste Spiegelschicht
11': Halbtransparente Spiegelschicht
12, 12a, 12b: Zweite Spiegelschicht
13, 13a, 13b: Resonanzwelle 2. Ordnung
14: Resonanzwelle 3. Ordnung
15, 15a, 15b: Resonanzwelle 1. Ordnung
21, 21a, 21b, 21',: Detektionszelle
22, 22a, 22b, 23
210, 220, 230: Photoaktive Schicht
211, 221, 231: Erste Ladungstransportschicht
212, 222, 232: Zweite Ladungstransportschicht
30: Optisch absorbierende, elektrisch leitende Zwischenschicht
31: Optisch absorbierende Zwischenschicht
40: Abstandshalterschicht
50: Optisch transparente, elektrisch leitende Kontaktschicht
60, 60': Elektrischer Außenkontakt
201: Erstes Substrat
202: Zweites Substrat
300: Strahlungsquelle
301: Einfallende Strahlung
L: Länge der optischen Kavität
L_a: Länge der ersten optischen Kavität
L_b: Länge der zweiten optischen Kavität
α: Einfallswinkel der einfallenden Strahlung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017/029223 A1 [0002]

Claims

Photodetektor (1-8) zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung, mit einem ersten optoelektronischen Bauelement (100-106, 108) zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung aufweisend: - eine erste optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten (11, 11a, 11', 12, 12a) gebildet wird, wobei die Länge (L, L_a) der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle i. Ordnung (13, 13a) in der ersten optischen Kavität ausbildet, und - mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21, 21a, 22, 22a, 23), wobei jede Detektionszelle (21, 21a, 22, 22a, 23) eine photoaktive Schicht (210, 220, 230) enthält, wobei die photoaktive Schicht (210, 220, 230) jeweils so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle (13, 13a) innerhalb der photoaktiven Schicht (210, 220, 230) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ordnung der Resonanzwelle (13, 13a) des ersten optoelektronischen Bauelements (100-106, 108) größer als 1 ist.
Photodektor (1-8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21, 21a, 22, 22a, 23) weiterhin eine erste Ladungstransportschicht (211, 221, 231) und eine zweite Ladungstransportschicht (212, 222, 232) enthält, zwischen denen die photoaktive Schicht (210, 220, 230) angeordnet ist, wobei die erste Ladungstransportschicht (211, 221, 231), die photoaktive Schicht (210, 220, 230) und die zweite Ladungstransportschicht (212, 222, 232) übereinander entlang der Länge der ersten optischen Kavität angeordnet sind.
Photodektor (1, 3-8) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der in der ersten optischen Kavität angeordneten Detektionszellen (21, 21a, 22, 22a, 23) der Ordnung der Resonanzwelle (13, 13a) entspricht.
Photodetektor (2, 4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch absorbierende Zwischenschicht (30, 31) jeweils so angeordnet ist, dass ein Schwingungsknoten der Resonanzwelle (13) in der absorbierenden Zwischenschicht (30, 31) liegt.
Photodetektor (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens einen optisch absorbierenden Zwischenschicht (30) direkt an eine der mindestens einen Detektionszelle (21) angrenzt, aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und geeignet ist, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle (21) des ersten optoelektronischen Bauelements (101) erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden.
Photodetektor (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch transparente Kontaktschicht (50) angeordnet ist, die direkt an eine der mindestens einen Detektionszelle (21, 22)angrenzt, aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und geeignet ist, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements (104) erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden.
Photodetektor (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optoelektronische Bauelement (105) mindestens einen Außenkontakt (60) aufweist, der an eine äußere Oberfläche einer der mindestenstens einen Detektionszelle (21, 22) angrenzt, aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und geeignet ist, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der mindestens einen Detektionszelle des ersten optoelektronischen Bauelements (105) erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden.
Photodetektor (2, 5, 6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten optischen Kavität mindestens eine optisch transparente Abstandshalterschicht (40) angeordnet ist, die zwischen einer der Spiegelschichten (11, 11a, 11', 12, 12a) und einer zu dieser Spiegelschicht (11, 11a, 11', 12, 12a) benachbarten Detektionszelle (21, 22) angeordnet ist.
Photodetektor (5, 6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Detektionszellen (21, 22) in der ersten optischen Kavität angeordnet sind und eine optisch transparente Abstandshalterschicht (40) zwischen zwei, in der ersten optischen Kavität entlang der Länge der ersten optischen Kavität übereinander angeordneten Detektionszellen (21, 22) angeordnet ist.
Photodetektor (7, 8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Photodetektor (7, 8) ein zweites optoelektronisches Bauelement (107, 109) zur Detektion einer zweiten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung enthält, wobei das zweite optoelektronische Bauelement (107, 109) aufweist: • eine zweite optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten (11b, 12b, 11', 12) gebildet wird, wobei die Länge der zweiten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die zweite Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle j. Ordnung (13b) in der zweiten optischen Kavität ausbildet, und • mindestens eine in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21b, 22b), wobei jede Detektionszelle (21b, 22b) eine photoaktive Schicht (210, 220) enthält, wobei die photoaktive Schicht (210, 220) jeweils so innerhalb der zweiten optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle (13b) innerhalb der photoaktiven Schicht (210, 220) liegt, und - sich die Länge (L_a) der ersten optischen Kavität von der Länge (L_b) der zweiten optischen Kavität und/oder die Ordnung der der zweiten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle (13b) von der Ordnung der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle (13a) unterscheidet.
Photodetektor (7) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite optoelektronische Bauelement (106, 107) entlang einer Richtung senkrecht zur Länge (L_a, L_b) der ersten und der zweiten optischen Kavität nebeneinander angeordnet sind.
Photodetektor (8) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite optoelektronische Bauelement (108, 109) übereinander angeordnet sind, so dass sich die Längen (L_a, L_b) der ersten optischen Kavität und der zweiten optischen Kavität entlang einer gemeinsamen Linie erstrecken, wobei die erste und die zweite optische Kavität durch eine halbtransparente Spiegelschicht (11') miteinander verbunden sind.
Photodetektor (9, 9') zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung, mit einem ersten optoelektronischen Bauelement (110, 110') zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung aufweisend: - eine erste optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten (11, 12) gebildet wird, wobei die Länge der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle 1. Ordnung (15) in der ersten optischen Kavität ausbildet, - eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21, 21'), die eine photoaktive Schicht (210) enthält, wobei die photoaktive Schicht (210) so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet ist, dass das Schwingungsmaximum der Resonanzwelle (15) innerhalb der photoaktiven Schicht (210) liegt, und - mindestens eine optisch transparente Abstandshalterschicht (40), die in der ersten optischen Kavität zwischen einer der Spiegelschichten (11, 12) und der Detektionszelle (21, 21') angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optoelektronische Bauelement (110, 110') mindestens einen Außenkontakt (60, 60') aufweist, der an eine äußere Oberfläche der Detektionszelle (21, 21') angrenzt, aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und geeignet ist, elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit, die geeignet ist, die von der Detektionszelle (21, 21') des ersten optoelektronischen Bauelements (110, 110') erzeugten elektrischen Signale auszuwerten, verbunden zu werden.
Photodetektor (9') nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21) weiterhin eine erste Ladungstransportschicht (211) und eine zweite Ladungstransportschicht (212) enthält, zwischen denen die photoaktive Schicht (210) angeordnet ist, wobei die erste Ladungstransportschicht (211), die photoaktive Schicht (210) und die zweite Ladungstransportschicht (212) übereinander entlang der Länge der ersten optischen Kavität angeordnet sind.
Photodetektor (9, 9') nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass - in der ersten optischen Kavität zwei optisch transparente Abstandshalterschichten (40) angeordnet sind, von denen eine erste Abstandshalterschicht (40) zwischen einer ersten der Spiegelschichten (11, 12) und der Detektionszelle (21, 21') angeordnet ist und von denen eine zweite Abstandshalterschicht (40) zwischen einer zweiten der Spiegelschichten (11, 12) und der Detektionszelle (21, 21') angeordnet ist, und - das erste optoelektronische Bauelement (110, 110') mindestens zwei Außenkontakte (60, 60') aufweist, wobei jeweils ein Außenkontakt (60, 60') an die äußere Oberfläche der Detektionszelle (21, 21') auf einer ersten Seite und an die äußere Oberfläche der Detektionszelle (21, 21') auf einer zweiten Seite angrenzt, wobei sich die erste Seite und die zweite Seite der Detektionszelle (21, 21') entlang der Länge der ersten optischen Kavität gegenüberliegen.
Photodetektor (10) zur spektral selektiven Detektion von elektromagnetischer Strahlung, mit: - einem ersten optoelektronischen Bauelement (111) zur Detektion einer ersten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung aufweisend: • eine erste optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten (11, 11') gebildet wird, wobei die Länge (L_a) der ersten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die erste Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle i. Ordnung (15a) in der ersten optischen Kavität ausbildet, und • mindestens eine in der ersten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21a), wobei jede Detektionszelle (21a) eine photoaktive Schicht (210) enthält, wobei die photoaktive Schicht (210) jeweils so innerhalb der ersten optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle (15a) innerhalb der photoaktiven Schicht (210) liegt, und - einem zweiten optoelektronischen Bauelement (112) zur Detektion einer zweiten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung aufweisend: • eine zweite optische Kavität, die durch zwei voneinander beabstandete parallele Spiegelschichten (11', 12) gebildet wird, wobei die Länge (L_b) der zweiten optischen Kavität so ausgestaltet ist, dass sich für die zweite Wellenlänge eine dieser zugeordnete Resonanzwelle j. Ordnung (15b) in der zweiten optischen Kavität ausbildet, und • mindestens eine in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21b), wobei jede Detektionszelle (21b) eine photoaktive Schicht (210) enthält, wobei die photoaktive Schicht (210) jeweils so innerhalb der zweiten optischen Kavität angeordnet ist, dass genau ein Schwingungsmaximum der Resonanzwelle (15b) innerhalb der photoaktiven Schicht (210) liegt,dadurch gekennzeichnet, dass - sich die Länge (L_b) der zweiten optischen Kavität von der Länge (L_a) der ersten optischen Kavität und/oder die Ordnung der der zweiten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle (15b) von der Ordnung der der ersten Wellenlänge zugeordneten Resonanzwelle (15a) unterscheidet und - das erste und das zweite optoelektronische Bauelement (111, 112) übereinander angeordnet sind, so dass sich die Längen (L_a, L_b) der ersten und der zweiten optischen Kavität entlang einer gemeinsamen Linie erstrecken, wobei die erste und die zweite optische Kavität durch eine halbtransparente Spiegelschicht (11'), die jeweils eine der Spiegelschichten der ersten optischen Kavität und der zweiten optischen Kavität ist, miteinander verbunden sind.
Photodektor (10) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine in der ersten optischen Kavität oder in der zweiten optischen Kavität angeordnete Detektionszelle (21a, 21b) weiterhin eine erste Ladungstransportschicht (211) und eine zweite Ladungstransportschicht (212) enthält, zwischen denen die photoaktive Schicht (210) angeordnet ist, wobei die erste Ladungstransportschicht (211), die photoaktive Schicht (210) und die zweite Ladungstransportschicht (212) übereinander entlang der Länge (L_a, L_b) der ersten optischen Kavität oder der zweiten optischen Kavität angeordnet sind.
Photodetektor (10) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der in der ersten optischen Kavität und/oder in der zweiten optischen Kavität angeordneten Detektionszellen (21a, 21b) der Ordnung der jeweiligen Resonanzwelle (15a, 15b) entspricht.