JP2008098617A - 集積有機発光素子を備えるリフレックスカプラ - Google Patents

Abstract

【課題】ＯＬＥＤ光源を有するモノリシックに集積されたＣＭＯＳリフレックスカプラを提供する。
【解決手段】リフレックスカプラは、光信号を生成するための有機発光素子と検出器領域を有する無機光検出器とを有する。有機発光素子および検出器領域は、光信号が入射する対象物から戻る照射の結果、光学的に結合され、有機発光素子と無機光検出器とが、１つの装置において集積される。
【選択図】図１

Description

本発明は、集積有機発光素子を備えるリフレックスカプラに関し、特に、ＯＬＥＤ光源を有するモノリシックに集積されたＣＭＯＳリフレックスカプラに関する。

光バリアは、非接触で、ステータス、ジオメトリ、位置または状態情報を得る技術的手段として普及している。中には、自動車産業、民生電子製品、医療および計測技術における工業的な応用も行われている。光バリアの１つの実施例が、リフレックス光バリアであり、発信機と受信器が対向せず、隣接する態様で配列される。この組合せは、発信機と受信器を共通の基板上にモノリシックに出来るだけ近づけて集積配置させ、可能な場合にはそれらの視野が同じ方向に向く配置を示唆する。

図９は、モノリシックに集積されたリフレックス光バリアの基本的構成を示す図である。受信器９００と送信器９０５とが両方とも基板９１０内に集積される。動作において、送信器９０５は、光信号９４０を送信し、この信号が、対象物９５０から反射され、その後受信器９００により検出される。従来技術の光バリアとは異なり、信号は対象物９５０が存在しない場合および／または対象物９５０により反射された場合にのみ生成される。

従来技術の集積リフレックス光バリアは、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）の受信および評価チップならびに従来技術の（無機）発光ダイオードからなるエミッタに基づく。いずれの技術も互いに異なる材料およびプロセスを使用する。ＣＭＯＳ技術は、概ね単結晶シリコンに基づき、従来技術の発光ダイオードは、概ね単結晶ＩＩＩ-Ｖ族半導体を使用する。こうして、対応する装置はモノリシックではなく、ハイブリッドな態様においてのみ相互に集積可能である。

リフレックスカプラは、リフレックス光バリアと同じ原理で作用し、すなわち送信器９０５と受信器９００とが、光信号９４０の反射により光学的に相互に結合される。反射が存在しなければ、送信器９０５と受信器９００との間には結合が存在しない。したがって、リフレックスカプラは、スィッチとしての役割もすることが可能で、すなわち、反射が存在しないときに電気信号を１つの装置からもう１つの装置へ送り、同時に回路のガルバニック分離を実現する。

リフレックスカプラ内の光送信器９０５として、赤外線または赤色光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用することが多く、また、たとえば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトサイリスタ、フォトトライアック、シュミットフォトトリガおよびダーリントンフォトトランジスタが受光素子または光検出器９００として使用され、すなわち光受信器９００は、一般に１つまたは複数のｐｎ接合を備える。光送信器９０５および光受信器９００は、相互に電気的に絶縁される。送信するのは、連続的な光または互光であり、反射光は、おそらくは、時間依存の強度、周波数、位相または波長に関して評価される。

考えられる光検出器９００としてのフォトダイオードは、様々なｐｎ界面で標準的なＣＭＯＳプロセスにおいて実現することができ、図１０は、先行技術のｎウェルＣＭＯＳプロセスでの実現例を示す。ここで、ｎドープウェル（ｎウェル）９２０が、ｐドープ基板（ｐ基板）９１０に形成され、このウェルは、ｐ基板９１０から離れる側にｐ⁺ドープ層９３０を備える。最終層として、ｐ基板９１０は、酸化物層９４０およびＩＬＤ（層間誘電体）層９５０を有し、その後にＩＭＤ（金属間誘電体）層９６０が配設される。酸化物層９４０、ＩＬＤ層９５０およびＩＭＤ層９６０は、たとえば誘電体材料を含み、半透明である。様々なｐｎ接合が、ダイオード９６２、９６４および９７５により特徴付けられる。

入射光ビーム９９０は、ｎウェル９２０において逆極性の電荷キャリア対９８５を生成し、その生成された電荷キャリア対９８５は、極性によって分離され、電気信号を生成する。光検出器９００は、こうして、ｐ基板９１０、ｎウェル９２０、ｐ⁺ドープ層９３０および酸化物層９４０により形成される。光検出器信号を検知するために必要な接点は、明瞭化のため図１０には示していない。図１０は、ｐ基板９１０とｎ⁺ドープ表面層９７０とによるｐｎ接合からなる新たなフォトダイオード９７５も示す。光信号９８０は、表面層９７０で反射した光を表す。

リフレックス光バリアと同様に、完全に集積化された従来のリフレックスカプラは、光検出器９００としてのＣＭＯＳ受信チップ、ＣＭＯＳ評価チップおよび従来の（無機）発光ダイオードからなるエミッタ９０５に基づく。従来のリフレックスカプラでは、いずれの技術も互いに異なる材料およびプロセスを使用し（ＣＭＯＳは、概ねシリコンで、ＬＥＤは概ねＩＩＩ−Ｖ族半導体）、かつそのためモノリシックにならず、ハイブリッドな態様でのみ相互に集積可能となる。

ＧａＡｓおよび関連のＩＩＩ−Ｖ族半導体等の無機半導体からなる従来の発光ダイオードは、数十年にわたって存在が知られている。この発光ダイオードの基本原理は、常に、電圧を印加すると、電子と正孔が半導体に注入され、発光下の再結合領域で発光態様で結合するというものである。しかしながら、無機半導体に基づく発光ダイオードは、多くの応用について大きな欠点も有する。実質的な欠点は、上記に述べたとおり、これらが概ねＩＩＩ−Ｖ族半導体のバックグラウンドにのみ応用される点である。

無機発光ダイオードの代替物として、有機半導体に基づく発光ダイオードがここ数年大きな発展を遂げた。たとえば、有機エレクトロルミネッセンスは、ディスプレイ装置に適した媒体として現在注目を浴びている。有機発光ダイオードは、陽極と陰極の間に挿入される、典型的には厚さ約１００ｎｍの有機物層のシーケンスを備える。基板としてガラスが使用されることが多く、その上に、インジウム−錫−酸化物（ＩＴＯ）等の透明で電気的に導電性の酸化物を付与する。その上に、正孔輸送物質、発光物質および電子輸送物質を備える有機物層のシーケンスを配する。そして、概ね金属からなる陰極が続く。

一般に、トップエミッタとしての有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）とボトムエミッタとしてのＯＬＥＤは区別される。典型的には、ボトムエミッタは、主に基板を介して光信号９５０を発するのに対して、トップエミッタは、基板から離れる方向に発する。

図１１は、トップエミッタとして形成される有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）９０５の図である。ここで、電極９２５、有機物層シーケンス９３５および透明電極９４５が、基板９１５上に付与される。電極９２５には、端子９５５を介してかつ透明電極９４５には、端子９６５を介して、それぞれ接触が行われる。基板９１５は、概ね非透明材料および金属等の電極９２５を備える。これにより、端子９５５および９６５に対応の電圧を印加すると、有機物層シーケンス９３５に生成された光信号９４０が、透明電極９４５（ＩＴＯ等からなる）を介して、図において上向きに発光される。

図１１の光信号９４０が、主発光方向を示す。しかしながら、有機物層シーケンス９３５で生成された光は、有機物層シーケンス９３５または透明電極９４５に沿っても伝播し、横方向に遮蔽物が存在しない限り、一部は横方向にも出る。

無機エミッタ９０５（および検出器９００）を備えるリフレックスカプラは、先行技術から既知である。光学近接スィッチと組み合わせ、有機エミッタに基づく有機発光ダイオードディスプレイはすでに知られている。特許文献１は、タッチスクリーン（ＯＬＥＤ）ディスプレイに使用されるこのような光電子スイッチについて記載する。

上記のとおり、従来技術のＬＥＤは、圧倒的にＩＩＩ−Ｖ族半導体を使用し、検出器回路（すなわち光検出器９００および制御回路）が概ねシリコン系のため、両方の装置を同じ基板上に製作することができず、集積が困難であることがわかる。先行技術から既知の、リフレックスカプラにおいて可能なハイブリッド集積は、原則的に、より大きな製造に関する労力を要し、一般的な価格低減を可能にせず、特に多数生産する場合にそうである。さらに、構成のハイブリッドな態様により、自動車の応用に必要な信頼性は、きわめて高いコストを払って初めて達成することができる。
独国特許発明第１０２４４４５２号明細書

本発明の目的は、集積装置を有するリフレックスカプラを提供することである。

この目的は、請求項１に記載のリフレックスカプラにより達成される。

本発明は、トップエミッタとしてのＯＬＥＤエミッタを大きな構造のＣＭＯＳ基板上に集積することで、ＣＭＯＳチップ上に光源と光検出器とをモノリッシクに集積することが可能になるとする知見に基づく。この集積は、終了プロセスまたは所謂「後処理」により行うことができる。ＣＭＯＳ構成の構造は、同時に電気的絶縁体および光ガイドとしても作用できる。ｐｎバリア層で形成され、したがってＣＭＯＳ固有であるフォトダイオード、フォトトランジスタまたは類似する素子が光検出器として応用できる。有機発光素子および無機光検出器は、このように既知の構造を有していてもよい。

ＯＬＥＤは、リフレックスカプラの製造において高度な集積を可能にし、かつほとんどどの基板上にも設けることができ、特にシリコン基板には直接集積することができるために、有利である。さらに、比較的低い温度（１００℃未満等）で配設することができる。このように、ＯＬＥＤは、損傷の危険もなく、通常のＣＭＯＳ／ＢｉＣＭＯＳ（ＢｉＣＭＯＳ：バイポーラ相補型金属酸化膜半導体）回路に配設することができる。集積回路（ＣＭＯＳ構造）上の現在の絶縁酸化物または絶縁層は、同時に光学的接続を成立させることが可能で、所望の電気絶縁値を絶縁層の層厚により調節することができる。このように、この技術は非常に簡単かつ廉価である。

ＯＬＥＤのＣＭＯＳ構造への集積は以下のように行うことができる。トップエミッタとしてのＯＬＥＤは、たとえば電極として通常のＣＭＯＳ金属層を利用し、その上に有機物層シーケンスを配設して、かつ透明電極を付与する。別のＣＭＯＳ酸化物層を基板として使い、その上に電極を配設することもできる。このリフレックスカプラの構成において、ＯＬＥＤは、生成した光を上方向に発し（トップエミッタ）、すなわち基板となる層から離れる方向に発し、主にパッシベーションの方向に発する。対象物および／または対象物の存在に基づき、光信号が光検出器に反射される。

ＯＬＥＤの配設はこのように技術的に完全にＣＭＯＳ、ＢｉＣＭＯＳ技術と両立し、集積ＯＬＥＤリフレックスカプラの製造が可能になる。製造は問題なくかつ大型基板（たとえば２００ｍｍ×２００ｍｍまでの）上でさえ廉価に行うことができる。

こうして、モノリシックに集積した態様で、リフレックスカプラを実現できる可能性が生じる。光検出器は、ＣＭＯＳ構造に生じる感光装置として形成できる。光検出器としては、すでに述べたフォトダイオード（図１１に示す等）のみならず、フォトトランジスタやｐｎ層を有する同様の構造が可能である。

実施例においては、エミッタもしくは光送信器または光検出器等の検出素子とは別に、制御および評価電子素子をＣＭＯＳチップ上に集積できる。このような構成も、マイクロシステムとしてリフレックスカプラの機能性をさらに備える、複雑な集積回路の一部を構成することが可能である。

別の実施例では、光送信器と光検出器の幾何学的構成を、測定タスクの要件に適合させることができる。ここで、ＯＬＥＤの可能な大きな領域での配設および構成が可能であることの利点が発揮される。さらに、ＯＬＥＤにより必要とされる領域を下部の活性回路により使用することもできる。下部は必ずしもＯＬＥＤ制御にリンクされている必要はない。つまり、ＯＬＥＤの下部に位置するまたは発信された光信号の伝播と逆に位置するＣＭＯＳ構造の利用可能な部分を他の回路素子に利用することができる。

他の実施例では、特定の応用に適したセンサの幾何学的構成が実現される。たとえば、リフレックスカプラの原理を、蛍光センサ技術にも応用でき、また降雨センサとしても応用できる。

ここでは、様々な波長のさらなるＯＬＥＤエミッタを適用し、物質の蛍光発光を励起し、概ね他の波長で発せられる対応の蛍光照射を検出し、かつその時間的減衰特性（すなわち減少する強度）を測定することが出来る。同様に、さらなる光検出器を選択することにより、それら光検出器のスペクトル感度を発光素子に適合させることも可能である。

ＯＬＥＤを発光素子として使用することにより、リフレックスカプラについて、モノリシックに集積する方法がとれる可能性、すなわち単一の基板上（シリコン基板上等）で、光の発生と検出を行える可能性が生じる。こうして、装置の大きさおよび新たな機能の集積の可能性に関して効果が得られる。ＯＬＥＤは、容易にかつ高度に集積可能である。さらに、効率が高く、電流消費も低い。

有機エレクトロルミネッセンスの他の効果は、化学的な変動性のために、ＯＬＥＤは、ほとんどすべての色で製作でき、かつ低温での配設のため、ＯＬＥＤをもっとも多様な基板に適用できる点である。したがって、たとえば異なる色または波長の光を発するＯＬＥＤを使用することで、マルチチャネルソリューションをチップ上に集積することができる。

周知のハイブリッドソリューションと比較した場合の集積ＯＬＥＤを備えるリフレックスカプラの利点は以下のとおり要約できる。光源と光検出器とをＣＭＯＳチップ上でモノリシックに集積すれば、エミッタ領域を幾何学的にほとんど任意に構成することが可能で、かつ様々なエミッタ波長が並列で組み込まれ得る。また、エミッタまたは送信器の領域を下部の活性回路のために使用できるという利点もある。下部の活性回路とは、ＣＭＯＳチップの制御および評価電子素子またはＯＬＥＤの制御電子素子を含む。これも、チップ面積の顕著な減少に繋がる。このように、ハイブリッドソリューションの集積のための構成および接続技術（ＡＶＴ：Ａｕｆｂａｕ−ｕｎｄ Ｖｅｒｂｉｎｄｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ）における労力が減り、コストが低減される。

本発明の好ましい実施例について、以下に添付の図面を参照してより詳細に説明する。

本発明について、以下に図面に基づき説明する前に、図面において、同じ素子は、同じかまたは類似の参照番号で示し、その説明は繰り返さない点に留意されたい。

図１は、発光面１１０を有するトップエミッタとしてのＯＬＥＤ１００と光検出器１１５としてのフォトダイオードとを備える、ＣＭＯＳ集積リフレックスカプラ構造の断面図である。この実施例では、ｐ基板１１７は、接続接点１３０を介して接続されるｎウェル１１５を備える。ｎウェル１１５を有するｐ基板１１７上には、ＩＬＤ層１４０を有する層の連続があり、その次に第１のＩＭＤ層１５０があり、その中に第１のコンタクト層１４５が埋設される。接続接点１３０は、ブリッジまたは１４５を介して、第１のコンタクト層１４５に接続される。光検出器１１５としてのフォトダイオードは、たとえば、ｎウェルのｐ基板１１７またはｐ⁺ドープ表面に対するｐｎ接合等に形成される。しかしながら、ｐ基板のｎ⁺ドープ表面に対するｐｎ接合または別の既存のｐｎ接合を光検出器１１５として使用することも可能である。

層の連続の上に、第２のコンタクト層１６０が設けられ、これはちょうど、好ましくは、たとえば金属層として形成され得るＩＬＤ層１４０、ＩＭＤ層１６０および第１のコンタクト層１４５と同様に、標準的ＣＭＯＳ構造の一部である。本発明によれば、第２のコンタクト層１６０は、不透明で、たとえば金属を含み、ＩＭＤ層１５０を部分的にのみ覆う。ＯＬＥＤ１００の電極として作用する第２のコンタクト層１６０に対して、透明導電体１８０と第２のコンタクト層１６０がそれぞれから分離されるように、有機物層シーケンス１７０と透明導電体１８０が配設される。透明導電体１８０は、ＯＬＥＤ１００の透明電極として作用し、第１のＩＭＤ層１５０がＯＬＥＤ１００の基板として作用する。このように、ＯＬＥＤ１００は、第２のコンタクト層１６０、有機物層シーケンス１７０および透明導電体１８０を備える。透明パッシベーション層１９０が、保護のために設けられ、横方向パッシベーション１９５が第２のコンタクト層１６０を透明導電体１８０から絶縁する。

ＯＬＥＤ１００（対応の回路を図示せず）に対して電圧を印加することにより、光信号１０５が有機物層シーケンス１７０に生成され、この信号は、対象物１２５により反射され、反射光信号１０５ｒとして、パッシベーション層１９０、透明導電体１８０、第１のＩＭＤ層１５０およびＩＬＤ層１４０を通過し得る。対象物１２５は、通常発明の装置の一部を表さず、外部の対象物１２５である。反射光信号１０５ｒは、最終的にｎウェル１１５内に逆極性の電荷キャリア対を生成し（図１１参照）、その生成された電荷キャリア対が最終的に電気出力信号となる。出力信号をタッピングするために必要な信号のうち、明瞭化のため、図１にはコンタクト層１４５しか図示していない。

一実施例において、光検出器１１５が、できれば第２の金属層１６０により覆い隠されることのないようにし、反射光信号１０５ｒのできるだけ大部分が光検出器１１５に到達するようにする。誤った解釈を避けるため、パッシベーション層１９０および／または透明導電体１８０は、できれば非鏡面の表面を有し、反射光信号１０５ｒが対象物１２５から発生し、リフレックスカプラにおける層の境界から発生しないようにする。

図２は、可能な制御および／読出し回路ブロックをリフレックス光バリアの集積回路の一部として有する基本回路図である。ここで、ＯＬＥＤ１００は、ＯＬＥＤドライバ２２０により電荷ポンプ２３０に取り付けられた電流源２１０を介して制御される。ＣＭＯＳ光検出器１１５は、抵抗器２３３および入力増幅器２４０に接続される。さらに、評価および制御ユニット２５０がＯＬＥＤドライバ２２０、入力増幅器２４０に結合され、界面２６０を介して出力２６５に結合される。最終的に、集積回路は電流電源２７０を備える。

ＯＬＥＤドライバ２２０からの信号に基づき、ＯＬＥＤ１００は、光信号１０５を生成し、この信号が対象物１２５により反射されて、反射光信号１０５ｒがＣＭＯＳ光検出器１１５に入射し、そこで出力信号２３５が生成される。たとえば、出力信号２３５は、抵抗器２３３における電圧降下の形で検知され、入力増幅器へ出力される。評価および制御ユニット２５０は、入力増幅器２４０により増幅された出力信号２３５を取得する一方、同時にＯＬＥＤドライバ２２０を制御する。こうして、評価および制御ユニット２５０は、対象物１２５を検出した場合には、ＯＬＥＤ１００の制御において変更を行うかもしれない。変更は、たとえば、強度の増大を含んでもよいし、光信号１０５のパルスレートの変化でもよい。評価および制御ユニット２５０は、界面２６０を介して出力２６５にも接続され、対象物１２５の検出を信号の形で示すことができる。電流電源２７０により回路全体に電圧が供給される。

図３は、チップ上のＯＬＥＤまたはＯＬＥＤエミッタ１００および光検出器１１５のための可能な構成３００の上面図である。光検出器１１５は、ＯＬＥＤ１００を含みボンドパッド３２０により接続される、ＣＭＯＳ回路３１０に埋設される。この構成は、粘着エッジ（リッド）３３０により結束され、たとえば４ミリメートルの高さ３４０と２ミリメートルの幅３５０を有する。

図示の形状および大きさは、例示目的のみのものであり、一般には特定のタスクに適合される。ここで、ＯＬＥＤが広い領域に問題なく配設構成できることが有利である。さらに、下部、すなわちＯＬＥＤ１００の下の部分を回路として使用できる。対象物１２５を単に検知するのとは別に、光検出器１１５からの対象物１２５の距離および／または距離の変化を、それぞれ、強度および／または強度の変化から決定することができる。たとえば、距離の縮小は強度の増大と考えることができるし、逆に距離の拡大は、強度の減少と解釈できる。他のタスクによって、様々な色のＯＬＥＤを採用することができる。以下に、他の特定の例のいくつかを挙げて説明する。

図４は、蛍光センサとして特に適した可能なセンサ構成４００の上面図である。センサ構成４００は、２つの緑色ＯＬＥＤ４１０_１および４１０_２ならびに２つの青色ＯＬＥＤ４２０₁および４２０_２を有し、これらは回路４３０の一部を構成する。この上面図では、緑色ＯＬＥＤ４１０_１および４１０_２ならびに青色ＯＬＥＤ４２０_２および４２０_２が、理想的には、光検出器１１５_１および１１５_２に対して同じ距離にあるように、緑色ＯＬＥＤ４１０_１および４１０_２ならびに２つの青色ＯＬＥＤ４２０_１および４２０_２の間に２つの光検出器１１５_１および１１５_２が配設される。他の実施例では、さらに他のＯＬＥＤおよび／または光検出器を設けてもよい。同様に、他の色との組合せおよび／または他の色のＯＬＥＤの使用が可能である。しかしながら、ここでは、他の変形例においても、できれば様々なＯＬＥＤが、光検出器１１５_１および１１５_２に対して同じ距離にあると有利であることがわかっている。様々な色により、物質の蛍光が励起され、概ね別の波長で発せられる対応の蛍光発光を検知することができ、かつその時間的減衰特性（すなわち減少する強度）を測定することができる。こうして、関連の物質は、蛍光に基づき確定できる。ここで、光検出器１１５_１および１１５_２が、蛍光発光が引き起こす対応の照射に対してより高い感度を有していれば、有利である。

図５は、流量測定センサとして特に適したセンサ構成５００を示す上面図である。この実施例では、異なるスペクトル感度を有し得る一連の光検出器５１０_１、５１０_２、５１０_３、および５２０_１、５２０_２、５２０_３、．．．が、ビーム形状で配列される２つのＯＬＥＤエミッタ１００_１と１００_２との間に構成される。特定の実施例では、光検出器５１０_１、５１０_２、５１０_３、．．．はすべて並列に接続されかつ電気的にひとつのユニットを構成する。同様に、光検出器５２０_１、５２０_２、５２０_３、．．．は、電気的に並列に接続され、かつ電気的にひとつのユニットを構成する。しかしながら、光学的には、それぞれの光検出器は、ユニットを構成せず、移動対象物１２５が対象物１２５の速度に比例する周波数のパルス信号を生成する。

光検出器が反射信号を検出する瞬間を評価することにより、たとえば対象物１２５または様々な対象物の移動を検出することができる。異なったスペクトル感度を有する光検出器、すなわち図５の光検出器５１０_１、５１０_２、５１０_３、．．．および５２０_１、５２０_２、５２０_３は、様々な対象物（異なる反射スペクトル等を有する）を区別しそれらの移動を検出する上で有利かもしれない。他方、他のチャネルまたは他の色で感度を制御測定値として利用し、センサの信頼度を高めることもできる。

図６は、可能なスペクトル／色センサとして特に適したセンサ構成６００の上面図である。この実施例は、４つの異なるＯＬＥＤを含む。青色ＯＬＥＤ６１０、緑色ＯＬＥＤ６２０、赤色ＯＬＥＤ６３０および（近）赤外ＯＬＥＤ６４０が、本実施例では矩形のチップ６５０上に光検出器１１５_１、１１５_２、１１５_３、．．．と共に配列される。ここでは、光検出器１１５_１、１１５_２、１１５_３、．．．は、チップ上に対称に、すなわち、光検出器をひとつずつ各隅と中央に配置する。異なる色のＯＬＥＤが、チップ６５０の４つの辺にそって配列され、上面図でみて、青色ＯＬＥＤ６１０が左、緑色ＯＬＥＤ６２０が下、赤色ＯＬＥＤが右、かつ（近）赤外ＯＬＥＤ６４０が上にそれぞれ配置される。

ＯＬＥＤの構成およびカラーリングの選択は自由で、他の実施例では、ＯＬＥＤを応じて交換することができる。同様に、ＯＬＥＤの数、その色およびチップ６５０の矩形形状は、例示目的のみのものであり、他の実施例においては変更してもよい。しかしながら、光検出器１１５_１、１１５_２、１１５_３、．．．が様々なＯＬＥＤに対してできるだけ近接して配列され、すべての色について同様のスペクトル感度を得る上で有利である。しかしながら、干渉が起きるので、距離が短すぎる場合は除く。この実施例は、色センサとして使用できる。有色対象物または物質の、色光に対する様々な反射特性を、目標とする態様で検出し、対象物や物質をそれらの色によって区別することができる。この応用については、多くの色のＯＬＥＤが入手可能であることが特に有利である。

図７ａ、７ｂおよび７ｃは、フォトプレチスモグラフィ等光学的機能診断のための可能なセンサの構成７００を示す。ここで、破線の領域が、光検出器１１５_１、１１５_２、１１５_３であり、暗い領域がＯＬＥＤ１００_１、１００_２および１００_３であり、これらがそれらの構成によって様々な機能を測定できる。中には、たとえば、液体の量および流速ならびに／または脈動する液体（血液等）の周波数に対する流体特性の測定がある。様々な色を用いて、液体のある特性（たとえばある色の蛍光比率等）を目標とする態様で測定し、かつその動きを検出することも可能である。検出された照射の強度は、この特性の集中度を示すことができる。図７ｂは、円形リフレックスカプラ構成を示す図であり、図７ａの構成においては（同様に図７ｃにおいても）、いくつかの光検出器が増大するピッチで様々な距離にある対象物１２５からの光を検出する。

図８は、ラブ・オン・チップの応用に適した可能なセンサ構成８００の上面図である。チップ８１０上においては、グリッド形状に形成されるＯＬＥＤ１００があり、光検出器（破線領域）１１５がそれぞれの間隙にある。ここでも、液体のある特性（ある色の蛍光特性等）を目標とする態様で測定しかつ／またはそれらの変化の動きを様々な色を用いて検出することが可能である。別の実施例では、グリッド形状に配列されたＯＬＥＤをビーム状または線状に構成された複数のＯＬＥＤと解釈する。それにより、このセンサ構成において、チップ上にある物質や対象物の位置も決定することができる。ある物質や液体の成分を励起する適切なＯＬＥＤにより、チップの位置に依存したある物質の濃度をこのセンサ構成で測定することができる。同様に、時間的変化（蛍光物質の濃度の変化等）の測定も可能である。

図面を参照して説明する本発明の実施例は、当然組み合わせたりかつ／または拡張することができる。たとえば、リフレックスカプラにおける、光信号１０５の合焦を光学要素により行ってもよい。これは、たとえばレンズや鏡系により行うことができ、十分な光量を得られるにもかかわらず光検出器１１５の検出器領域１２０を応じてより小さくできて有利であると考えられる。

動作において、リフレックスカプラは、アナログ、およびデジタル両方の信号を使用できる。たとえば外来光による外来のスプリアスの影響を効果的な態様で抑制するため、固定クロッキングまたは変調を使用することが有利かもしれない。

集積ＯＬＥＤを備えるリフレックスカプラの上記の実施例は、すでに述べた効果を提供する。これらの効果は、特に、集積のための構成および接続技術（ＡＶＴ）の労力およびコストにおける低減を含む。さらに、光源、電気的絶縁体、光ガイドおよび光検出器を、チップ上に容易に、モノリシックに集積できる。さらに、標準的ＣＭＯＳ層／構造を電気的絶縁体および光ガイドとして用いることができる。そのため、ＳＯＩ−ＣＭＯＳ基板を使用する場合に、絶縁強度の向上が得られ、かつチップ面積が減じられる。最後に、本発明の実施例は、発光素子のための制御回路および光検出器のための読出電子素子を複雑に集積することができる可能性を提供する。

最後に、本発明の様々な局面について以下の通り述べる。

リフレックスカプラとしての構成において、有機エミッタおよびＣＭＯＳ光検出器をＣＭＯＳシリコンチップ上に空間的に共に集積すること。

ＣＭＯＳのｐｎ接合（ウェル基板、ウェル接点等）を光検出器として使用すること。

光検出器に対し間接的に発光するトップエミッタとしてのＯＬＥＤエミッタの構成。

スプリアスおよび外来光の抑制のための光源の変調。

対象物認識、スプリアス分離等を目的とする（おそらくはマルチチャネルまたはひとつまたは複数次元アレイの形状の）リフレックスカプラの構成ための複雑な集積回路におけるモノリシックでの実現。

光案内（スティアリング）を可能にするため、ＯＬＥＤのカプセルに組み立てられる光学素子（レンズまたは回折素子）。

様々な波長でのＯＬＥＤエミッタの使用。

リフレックス光バリアとしての応用。

蛍光センサ技術における応用。

構成による流量測定における応用。

構成による光学機能診断（フォトプレチスモグラフィ等）における応用。

構成によるスペクトルセンサ（表面色センサ等）としての応用。

構成によるラブ・オン・チップセンサとしての応用。

降雨センサとしての応用。

ＯＬＥＤおよびフォトダイオードを有するリフレックスカプラの断面図である。 制御および読出し回路ブロックを有する基本回路図である。 チップ上のＯＬＥＤエミッタおよび光検出器の上面図である。 蛍光センサとして可能な構成の上面図である。 流量センサとして可能な構成の上面図である。 スペクトルまたは色センサの可能な構成の上面図である。 光学機能診断のための可能な構成の上面図である。 所謂ラブ・オン・チップ適用のための可能なセンサ構成の上面図である。 リフレックスカプラの基本的な図である。 先行技術の標準的ｎウェルＣＭＯＳプロセスにおけるフォトダイオードの断面図である。 先行技術のトップエミッタとしての有機発光ダイオードの断面図である。

符号の説明

１００ 有機発光素子、１０５ 光信号、１１５ 無機光検出器、１２０ 検出器領域、２５０ 評価および制御ユニット、１４０ ＩＬＤ層、１５０ ＩＭＤ層。

Claims (18)

1. リフレックスカプラであって、
   光信号（１０５）を発するための有機発光素子（１００）と、
   検出器領域（１２０）を備える無機光検出器（１１５）とを備え、
   発光素子（１００）および検出器領域（１２０）は、対象物（１２５）に対し光信号が入射し、対象物から返って来る照射の結果、光学的に結合されることが可能で、かつ有機発光素子（１００）および無機光検出器（１１５）が、１つの装置内に集積される、リフレックスカプラ。
2. 無機光検出器（１１５）が、１以上のｐｎ接合を有するドープされた半導体材料を含む、請求項１に記載のリフレックスカプラ。
3. 有機発光素子（１００）が、有機発光ダイオードを備える、請求項１または２に記載のリフレックスカプラ。
4. 検出器領域（１２０）の対象物（１２５）に面する側に誘電体透明層シーケンス（１４０、１５０）をさらに含み、かつ有機発光素子（１００）のための制御電子素子（２０５_１）ならびに／または無機発光素子（１１５）のための制御および／または評価電子素子（２５０_２）の少なくとも一部が誘電体透明層シーケンス（１４０、１５０）の内部および／または下に配列される、請求項１から３のいずれかに記載のリフレックスカプラ。
5. 光信号（１０５）が潜在的外来光の影響を抑制するための変調を含むよう、有機発光素子（１００）を制御する制御電子素子（２５０）をさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載のリフレックスカプラ。
6. 追加の有機発光素子および／または追加の無機光検出器をさらに含む、請求項１から５のいずれかに記載のリフレックスカプラ。
7. 追加の有機発光素子が、更なる光信号を生成し、この更なる光信号が光信号（１０５）とは異なる周波数を有し、かつ／または追加の光検出器が光検出器（１１５）とは異なる波長感度を有する、請求項６に記載のリフレックスカプラ。
8. 光検出器（１１５）が対象物（１２５）から反射される光（１０５ｒ）または物質の蛍光発光の結果としての光を確認するよう構成される、請求項１から７のいずれかに記載のリフレックスカプラ。
9. 光検出器の制御電子素子が、蛍光発光の結果としての光の時間的減衰現特性を検出するよう構成される、請求項８に記載のリフレックスカプラ。
10. 追加の有機発光素子および／または追加の光検出器が、ある領域に渡ってまたはある方向に分布し、かつ光検出器が、対象物（１２５）または追加の対象物に対する反射を独立して検出できるように構成される、請求項６から９のいずれかに記載のリフレックスカプラ。
11. １以上の方向に配列される無機光検出器（５１０）と、１以上の方向において多くの無機光検出器（５１０）に対する対象物（１２５）の相対的動きを決定でき、かつ対象物（１２５）の速度が出力信号のパルス周波数から決定できるよう構成される評価ユニット（２５０）とをさらに備える、請求項１０に記載のリフレックスカプラ。
12. 無機光検出器（１１５）が、入射光強度の変化を検出するよう構成され、かつ評価ユニット（２５０）が、入射光強度の変化から、相対的動きを決定できるよう構成される、請求項１１に記載のリフレックスカプラ。
13. 評価ユニット（２５０）が、対象物（１２５）の形状認識および／または形状変化を決定できるように構成される、請求項１１または１２に記載のリフレックスカプラ。
14. 光信号（１０５）を案内しかつ／または合焦するための光学素子をさらに含む、請求項１から１３のいずれかに記載のリフレックスカプラ。
15. 光学素子がレンズおよび／または回折素子を含む、請求項１４に記載のリフレックスカプラ。
16. 有機発光素子（１００）が、封止カプセルを含み、かつ封止カプセルが、光学素子を含む、請求項１４または１５に記載のリフレックスカプラ。
17. 無機光検出器（１１５）の構成要素および／または有機発光素子（１００）を操作するための構成要素が、ＣＭＯＳ、ＢｉＣＭＯＳまたはバイポーラ技術において実現される、請求項１から１６のいずれかに記載のリフレックスカプラ。
18. 請求項１から１６のいずれかに記載のリフレックスカプラの、リフレックス光バリア、蛍光センサ、流量センサ、光学機能診断のためのセンサ、スペクトルセンサ、ラブ・オン・チップ、または降雨センサとしての用途。

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