[发明专利]单芯片收发光电组件和模块、光电系统及电子设备

说明书

本申请涉及单芯片收发光电组件和模块、光电系统及电子设备。根据一实施例，一种光电组件可包括：多个光电单元，形成于相同的外延片上，每个光电单元包括相同的层结构和层材料；以及驱动电路，用于驱动所述多个光电单元；其中，取决于所述驱动电路提供的驱动信号，每个光电单元被用作发光单元或光电探测单元。本申请的光电组件中的多个光电单元可以通过同一工艺制成，并且每个光电单元可以通过正向偏置或反向偏置驱动而兼用作发光单元和光电探测单元，从而以低成本实现了结构紧凑并且功能丰富的光电组件。

技术领域

本发明总体上涉及光电器件领域，更特别地，涉及一种包括发光单元和收光单元的光学系统，其中所述发光单元和收光单元通过同一工艺形成于单个外延片上，从而具有相同的层结构和层材料，仅通过驱动电路以不同方式驱动而分别用作发光单元和收光单元，其中收光和发光的有源区为同一层或多层结构。本发明还涉及用于光通信的光收发模块、用于检测物体三维形状的光电系统、以及包括所述光电组件、光收发模块或光电系统的电子设备。

背景技术

对物体进行三维形状、尺寸、位置等信息的测量，是无人驾驶、工业测绘、医疗、手机面部识别等应用场景下重要的技术需求。现有技术通常采用一个发光单元和一个接收光单元，分别进行待测物体的照明和回光感知。

以手机结构光为例，通常在手机上设置一个点阵投影结构和光电探测器阵列，两个器件在手机上相隔一定距离。由点阵投影机构发射出结构光，在照射至人脸或其他物体后，结构光形状被物体三维形状调制，调制后的光被探测器阵列接收后进行解调，形成三维物体图像。

在自动驾驶领域，也存在类似的应用。例如，红外光源发射红外光以照射物体，红外光电探测单元通过探测红外红光来检测三维物体或者环境的形状、尺寸和距离等参数，供自动驾驶系统形成相应的驾驶策略。与传统的摄像头相比，红外检测能克服大雾等恶劣天气的影响，具有更高的可靠性。

此外，在光通讯系统中，一般包括光收发模块，其具有一个发光结构(一般为激光器)和一个接收结构(一般为光电二极管探测器)，以实现光收发功能。

发明内容

在上述技术中，发光机构和光电探测器均通过不同的工艺形成于两个单独的外延片上，并且分别封装为单独的器件，彼此分立地安置在系统中。如果能使用单芯片来制造发光单元和探测单元，则在上述应用场景中将显著降低系统体积、功耗和成本。为解决此问题，曾有相关技术尝试制备基于单个芯片的发光和探测器，但发光机构和探测结构均由不同的半导体外延层实现其功能，外延生长工艺繁杂，且需特殊电路配合工作。

量子阱中的光吸收，是被学术界和工业界广泛研究的一个问题。一般认为，量子阱材料可以吸收光子，但产生的光生载流子受到势垒的限制，难以进入连续态形成电流。然而，本发明人通过实验发现，置于PN结之中的量子阱存在反常的载流子高效抽取和吸收增强现象，上述现象使得PN结中的量子阱可以制备高性能光电探测器。由于半导体发光二极管和半导体激光器其有源区结构即为置于PN结之中的量子阱，利用上述现象，如将半导体发光二极管或激光器的偏置电压置于反偏，该器件即可以作为探测器使用。因此，基于量子阱材料在不同偏置条件下的光发射和光吸收，有望利用成熟的发光二极管或垂直腔面发射激光器外延材料，来实现单芯片收发光组件的制造，从而利用单个半导体外延片，即可加工出单芯片发光和收光组件。

一般认为，受量子阱材料的厚度限制，利用其带间跃迁机制形成光电探测器量子效率较低。本发明利用半导体PN结对低维半导体材料参与的光吸收和电抽取过程的调制作用，大幅度提升基于量子阱或量子点材料的光电探测器的量子效率。入射光子经量子阱带间跃迁吸收后，在PN结调制下，光生载流子迅速进入连续态，在内建电场和外加偏压的共同作用下，迅速形成光电流。应理解，本发明的原理不仅适用于量子阱材料，还可以应用于包括量子点、量子线和超晶格等在内的其他低维半导体材料。