DD226436A1 - Wellenlaengenselektive wandleranordnung - Google Patents

Abstract

Die erfindungsgemaesse Wandleranordnung ist in der Mikroelektronik, Optoelektronik und Sensortechnik anwendbar. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine wellenlaengenselektive optoelektronische Wandleranordnung bereitzustellen in welcher die einzelnen optoelektronischen Wandlerelemente der Anordnung jeweils innerhalb eines bestimmten, waehrend des Herstellungsprozesses genau einstellbaren Wellenlaengenbereiches arbeiten. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem die wellenlaengenselektive Wandleranordnung aus mit bekannten Verfahren hergestellten optoelektronischen Wandlerelementen und einer darueber- oder darunterliegenden Absorptionsschicht aus einem amorphen Festkoerpergemisch mit einstellbarem Absorptionskoeffizienten, vorzugsweise einem Gemisch von Silizium und Wasserstoff oder Silizium und Halogenen besteht und in der Absorptionsschicht ueber oder unter den optoelektronischen Wandlerelementen Bereiche mit jeweils unterschiedlichen wellenlaengenabhaengigen Absorptionskoeffizienten vorhanden sind.

Description

Titel der Erfindung

Wellenlängenselektive Wandleranordnung Anwendungsgebiet der Erfindung.

Die wellenlängenselektive Wan dl er anordnung ist in der Mikroelektronik, Optoelektronik und Sensortechnik anwendbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind optoelektronische Wandler mit einer wellenlängenselektiven Empfindlichkeit auf der Basis von Heteroübergangen bekannt A. MOSCHWITZBR; K. LUITZE, "HALBLSITER-ELEKTEOIiIK", 7Ξ3 VT, BERLIU, 1975 . Diese HeteroÜbergänge, die aus zwei übereinanderliegenden HL-Schichten unterschiedlicher Substanzen bestehen, besitzen aber einen ganz bestimmten Wellenlängenbereich, innerhalb dessen sie lichtempfindlich sind. Dieser 7/ellenlängenbereich hängt von der Art der HL-Substanzen ab und ist über dem gesamten Heteroübergang konstant, sodaß eine lokal unterschiedliche Selektivität nicht erreicht werden kann. Ortsabhängige 7/ellenlängenselektivität kann nach DE-AS 1439306 und DE-OS 2315054 dadurch erreicht werden, dai3 ein HL-Grundkörper mit einem Gradienten im optischen Bandabstand entgegengesetzt zur Lichteinfallsrichtung versehen wird. Die Herstellung der dazu notwendigen Mischkristallschichten ist technologisch wesentlich aufwendiger als die vorgeschlagehe Lösung.

Es ist'weiterhin eine optoelektronische Wandl er anordnung bekannt, die zum Nachweis von zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen dient. Diese Anordnung besteht aus zwei p-n-Übergangen, die sich jeweils auf der Substratvorder- und -rückseite befinden. Das Substrat selbst wirkt als optischer Filter (DE-OS 3206312).

Dieses Verfahren hat aber den lachteil, daß das Wandlerelement eine Selektivität nur bezüglich zweier unterschiedlicher Wellenlängenbereiche besitzt. Außerdem ist die Selektivität über das gesamte Substrat konstant.

Weiterhin ist die Abscheidung von Absorbtionsschichten auf optoelektronischen Wandlerelement en bekannt, die den spektralen Wellenlängenbereich, in welchem die Wandler empfindlich sind, einschränken. So sind die Verwendung bestimmter Gehäusematerialien für IH-Detektoren (DE-OS 2329260), POLY-Si-Schichten (SP-PS 54737), PQLY-Si-Schichten mit O₂-Anteil der Antireflexionsschicht (DE-OS 2545136), POLY-Si-Schichten mit Farbstoff als Blaufilter (DE-OS 2725147), Kunststoffschichten (DE-OS 2709741), CTD-a-Si-Schichten, die bei unterschiedlichen Besch.-parametern hergestellt wurden (EP-PS 058543) und andere bekannt. Diese Absorbtionsschichten haben aber den Nachteil, daß jeweils nur ein ganz bestimmter Wellenlängenbereich (bzw. ein ganz bestimmter. Absorbtionskoeffizient), der von der Schichtsubstanz abhängt, eingestellt werden kann, innerhalb dessen die optoelektronischen Wandlerelemente arbeiten. Sollen die einzelnen Wandlerelemente einer Anordnung jeweils innerhalb unterschiedlicher Wellenlängenbereiche arbeiten, so müssen jeweils nacheinander die entsprechende Anzahl unterschiedlicher Absorbtionsschichten abgeschieden und photolithographisch strukturiert v/erden (SP-PS 40984). Das ist jedoch technologisch sehr aufwendig. Außerdem sind diese Schichten oft an in der Mikroelektronik verwendete Technologien nicht kompatibel.

Bs ist weiterhin die Verwendung von amorphen Selens chi eilten (EP-PS 14843) und anisotropen Kristallen (EP-PS 14373), die über optoelektronischen Wandlern aufgebracht sind, bekannt. Diese Wandler ändern ihre spektrale Empfindlichkeit in Abhängigkeit von Druck und der Temperatur; sie besitzen jedoch keine spektrale Selektivität.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine wellenlängenselektive optoelektronische Wandleranordnung bereitzustellen, die technologisch einfach zu realisieren ist, mit den bestehenden Technologien der Mikroelektronik kompatibel ist und ein breites Anwendungsgebiet ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine v/ellenlängenselektive optoelektronische v/andleranordnung bereitzustellen, in welcher die einzelnen optoelektronischen Wandlerelemente der Anordnung jeweils innerhalb eines bestimmten, während des Herstellungsprozesses genau einstellbaren Wellenlängenbereiches arbeiten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die wellenlängenselektive Wandleranordnung aus mit bekannten Verfahren hergestellten optoelektronischen V/andlerelementen, und einer darüber- oder darunterliegenden Absorbtionsschicht aus einem amorphen Pestkörpergemisch mit einsteilbarem Absorbtionskoeffizient en, vorzugsweise einem Gemisch von Silizium und Wasserstoff oder Silizium und Halogenen besteht und in der Absorbtionsschicht über oder unter den optoelektronischen Wandlerelementen Bereiche mit jeweils unterschiedlichen wellenlängenabhängigen Absorbtionskoeffizienten vorhanden sind.

Die mit bekannten Verfahren hergestellten optoelektro-

nischen Wandlerelemente können einzelne sowie auf einem gemeinsamen Substrat hergestellte, nebeneinanderliegende Photowiderstände, Phototransistoren, Photodioden, CCD-Elemente oder ein Vidikon sein.

Auf dem gleichen Substrat, beispielsweise einer Si-Scheibe kann sich eine Auswerteelektronik in Form eines integrierten Schaltkreises befinden. Als optoelektronische Wandlerelemente können auch die Stirnflächen von lichtleiterkabel enden benutzt werden. Diese optoelektronischen Wändlerelemente arbeiten innerhalb eines Wellenlängenbereiches A₁ -'A₂ C^₁ <Ά₂)·

Die Absorbtionsschicht kann eine amorphe oder polykristalline plasmagestützte CTD-Si-Schicht sein, deren Wasserstoff anteil zwischen 0,01 % und 35 % liegt und in der andere Dotierungselemente, beispielsweise Phosphor, bis zu 5 % enthalten sind.

Jeder der Bereiche der Si-Absorbtionsschicht über oder unter den optoelektronischen Wandlerelement en besitzt einen von der Umgebung unabhängigen eigenen weilenlängenabhängigen Absorbtionskoeffizienten und somit spezifischen Transmissionsgrad T, (Ά) mit einer entsprechenden Transmissionskante bei TV₃ (die Wellenlänge, ab v/eicher die Transparenz der Schicht mit zunehmender Wellenlänge steil ansteigt). Dadurch arbeitet jedes Wandlerelement jeweils · innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereiches von 7\^ und 7\_z.

Die jeweilige Transmissionskante f\'₃ in den Bereichen der Si-Absorbtionsschicht ist durch eine lokal genau positionierte Energieeinv/irkung, z. B. laser- oder Slektronenstrahlbehandlung der Si-Schicht, die vorher über oder unter den optoelektronischen Wandlerelementen abgeschieden worden ist, eingestellt worden.

Die Einstellung der Transmissionskante Λ| durch die definierte Energieeinwirkung wird unter anderem dadurch hervorgerufen, daß die in der Si-Schicht enthaltenen Wasserstoff- oder Halogenatome anfangs aktiviert und bei einer intensiveren Bnergieb.ehandlung aus der Schicht herausgedrängt wurden sowie daß das Silizium kristallisiert bzw. sich die Korngröße verändert.

Zwischen den optoelektronischen 7/andlerelementen und der Absorbtionsschicht sowie auf der Absorbtionsschicht können auch Isolator- oder Antireflexionsschicht en, beispielsweise SiO₂- und SiJSL-Schichten, vorhanden sein.

Ss ist auch möglich, die Si-Schicht auf einem zwischen 7\, und Ά.3 transparenten Substrat, beispielsweise Quarzglas, abzuscheiden. Mit EiIfe eines fokussierten Laser-Strahls werden Schichtbereiche mit jeweils unterschiedlichen Transmissionskanten "A₃ erzeugt. Über diesen Schichtbereichen ist jeweils eine photοempfindliche Schicht abgeschieden, kontaktiert und mit einer Auswerteelektronik, z. B. in Form eines integrierten Schaltkreises, verbunden.

Die beschriebenen wellenlängenselektiven optoelektronischen Wandleranordnungen sind technologisch einfach zu realisieren und besitzen jeweils innerhalb eines genau einstellbaren V/ellenlängenbereiches A₃ und ^^ arbeitende Wandlerelemente und ein breites Anwendungsgebiet.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll an vier Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Im ersten Beispiel bestehen die optoelektronischen Wandlerelemente aus 20 nebeneinanderliegenden Photοwiderständen, die auf einem Si-Substrat hergestellt wurden, voneinander isoliert sind, mit Leitbahnen versehen sind und mit einer

Auswerteelektronik, die sich auf dem gleichen Si-Substrat befindet, verbunden sind. Über dem Teil des Substrats, auf welchem sich die Photowiderstände befinden, sind nacheinander 500 nm GYD-SiO₂, 600 nm amorphes CTD-Si und 500 nm CYD-SiOp plasmainduziert abgeschieden worden. Das amorphe CYD-Si besaß nach der Abscheidung einen Wasserstoffgehalt von & 24 % und einen Phosphorgehalt von 0,002 %.

Die nebeneinanderliegenden Gebiete*der"amorphen Si-Schicht, die sich über den Photowiderständen befinden, wurden nacheinander mit jeweils einem Impuls eines HU-Lasers (^= 15 ns) bestrahlt, wobei Form und Fläche des Laserstrahlquerschnitts mit der der Photowiderstände übereinstimmten. Dabei wurde die Energiedichte der einzelnen Laserimpulse so gewählt, daß die Transmissionskante (Transparenz) der über den Photowiderständen liegenden Si-Schichtbereiche üher dem ersten Photowiderstand 420 nm, über dem zweiten 430 nm, dem dritten 440 nm und dem zwanzigsten 610 nm beträgt.

Wird die so beschriebene, optoelektronische Wandleranordnung mit polychromatischem Licht bestrahlt, so reagiert jeder der 20 Photowiderstände ab einer bestimmten Wellenlänge, beginnend bei 420 nm. Mt Hilfe der Auswerteelektronik ist somit eine wellenlängenselektive Anzeige möglich.

Im zweiten Ausführungsbeispiel sind auf einem Quarzglassubstrat 500 nm a-Si, 100 nm SiO₂ und. 50 nm Si₃H₄ plasmainduziert abgeschieden worden. Mit einem sich bewegenden eta-Ar⁺-LaSer (Y = &-p) wurden die Schichtbereiehe in einer Größe von (300 χ 300) ,um² mit einer unterschiedlichen Energiedichte (Laserleistung von (0,1 bis 1) W) behandelt, so daß Transmissionskanten zwischen Λ, = 420 nm und A₃= 620 nm eingestellt worden sind.

Über den Schichtbereichen befinden sich jeweils CdS-Schicht-

gebiete, die, untereinander isoliert, kontaktiert und mit einer Auswerteelektronik verbunden sind.

Im dritten Ausführungsbeispiel bildet eine Silizium-Halbleiterscheibe 1 nach Fig. 1 mit nach herkömmlicher Technologie gefertigten pn-Ubergängen 2; 3 kreisförmiger Topografie, die die Eigenschaften zur Foto diodenanv*en dung aufweist, die Ausgangssituation.

Auf einer sich anschließend erzeugten g^ rungsschicht 4; 5 wird verfahrensgemäß a-Silizium β abgeschieden und mittels eines Laserimpulses pro Fotodiodenstruktur derart getempert, daß die Leistungsverteilung des Laserstrahls eine Absorptionskantenverschiebung bewirkt (Fig. 2). Durch sinnvolle Kontaktierung 7 (Metallisierung) (Pig. 1) über die Bedingung der Einteilung in die erforderlichen Spektralbereiche Y, Y - 3; Y - (B + G) erreicht man mittels lateralem Fotoeffekt eine farbempfindliche Fotodiodenanordnung mit den in Fig. 3 dargestellten spektralen FotoStromempfindlichkeiten (8; 9; 10).

Als eine v/eitere praktisch sinnvolle Bedingung ist das Flächenverhältnis der einzelnen Bereiche (B, G, R) so zu konzipieren, daß die daraus resultierenden Fotostrombeiträge nahezu gleich sind.

Dies erzielt man über die radiale Laserstrahlleistungsverteilung.

So erhält man mittels kommerzieller Si-Fotodiodentechnologie einen universell einsetzbaren technologisch billig realisierbaren Farbsensor.

Ss sei erwähnt, daß es möglich ist, die Nachteile einer dreidimensionalen Farbbereichszerlegung (verfälschende Infrarot-Empfindlichkeit) durch vier selektiv empfindliche Bereiche zu umgehen.

Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel ist der Einsatz der wellenlängenselektiven optischen Wandleranordnung bei Färbfernsehkameraröhren bzw. Festkörperfarbbildsensoren möglich. Für diese Anordnungen werden Farbfilter gefordert, die ein hohes Auflösungsvermögen sowie eine gute Haltbarkeit aufweisen, Hiermit ist ein Farbfilter gewöhnlich ein Filter, bei welchem die Farbelemente in Mosaikoder Streifenform angeordnet sind. Als Farbelemente werden am häufigsten blau (B), grün (G) und rot (R) sowie Cyan (C), margenta (M) und gelb (Y) verwendet.

Die bisher bekannten typischen Verfahren für die Herstellung eines Farbfilters sind dadurch charakterisiert, daß auf einen Träger (u. a. Gelatine) eine färbaufnehmende Schicht aufgebracht wird. In diese Schicht werden mittels komplizierter Verfahren (u. a. Einschwemmen von Farbstoffen nach DB-OS 2926189 oder durch Aufschmelzen bzw. Sublimieren nach DS-OS 3023131 die Farbelemente in Mosaikoder Streifenform angeordnet.

ilaciiteilig bei allen diesen Prozessen sind der technologisch aufwendige Herstellungsprozeß und die damit ver- . bundenen Fehler. Besonders ist dies der Fall, wenn die Trägerschicht direkt auf. dem Sensorelement angeordnet ist.

Gemäß Ausführungsbeispiel soll daher ein Verfahren zum Herstellen eines Farbfilters geschaffen werden, bei welchem nicht jedesmal, wenn ein Farbelement geschaffen wird, eine Maske auf einem Träger ausgebildet γ/erden muß und bei welchem zum Ausbilden einer Maske keine Nass- und Trocknungsbehandlung erforderlich ist. Femer soll gemäß Beispiel ein Verfahren zum Herstellen eines Farbfilters mit vereinfachten Herstellungsschritten und guten Ausbeuten derart geschaffen werden, daß das Farbfilter direkt auf die Sensoren abgeschieden und damit farbselektiv gemacht wird.

Dies soll an. zwei Ausführungsformen nachgewiesen werden.

Die 1. Ausführungsform bezieht sich auf einen linearen Sensor, der nach dem CCD-Ladungsübertragungsprinzip arbeitet. Wie Pig. 4 zeigt, sind die Sensoren 11 (1 ... n), die wahlweise als Fotodioden, VP- oder MOS-Sensoren ausgebildet sein können, in einer Reihe in beliebiger Anzahl angeordnet. Diese Sensoren werden ein- oder beidseitig von einer Transferelektrode 12 (Pig. 5) begrenzt.

Hierzu ist das Schieberegister 13 symmetrisch angeordnet.

Die Wandleranordnung 14 wird über die elektrisch voneinander isolierten Sensoren so angeordnet, daß zu jedem Sensor ein Wandler mit einer genau bestimmten !Transmission zugeordnet ist. Die Wandlerschicht 14 wird zur Vermeidung eines elektrischen Kontaktes mit den Sensoren auf einem homogenen und im betrachteten optischen Wellenlängenbereich nicht selektiven Isolationsschicht 15 mit hoher Transmission angeordnet.

Die in den einzelnen Sensoren (1 bis n) innerhalb einer Zeiteinheit akkumulierten Ladungen werden in definierten Intervallen durch geeignete Taktung über die Transferelektrode 12 in das CCD-Schieberegister eingelesen oder wechselseitig transportiert und ausgelesen. Durch geeignete Differenzierung bzw. Addition der ladungen mittels allgemein bekannter elektronischer Schaltungen erfolgt dann die Ausbildung der benötigten R-C-B-Signale.

Die 2. Ausführungsform bezieht sich auf einen Plächensensor (Matrix) mit beliebiger Sensoranordnung in Spalten und Zeilen, wobei jedoch eine solche Kombination bevorzugt wird, die eine dem internationalen !formen angepaßte Bildverarbeitung gestattet. Die Matrix arbeitet'nach dem CTD-Verfahren, umfaßt also sowohl das BBD- als auch CCD-Verfahren.

Pig. 5 zeigt daher die prinzipielle Anordnung des optisch empfindlichen Gebietes einer solchen Matrix, in der die Sensoren in m-Spalten und η-Zeilen angeordnet sind· Jeder der Sensoren 11, die wahlweise aus Fotodioden, V?- oder 'BIOS-Sensoren ausgebildet sein können, ist dabei einseitig einer allgemein bekannten Speicher- und Ausleseanordnung 17 zugeordnet. Auf dem Sensor 11 und der Auslese- und Speicheranordnung 17 ist gemäß Fig. 5 die erfindungsgeniäße Wandlerschicht abgeschieden. Diese ist analog AusführuBgsform 1 durch eine Isolatorschicht 15 "von den Sensoren elektrisch isoliert.

Durch die erfindungsgeinäße Verfahrensweise kann federn Sensor der Matrix ein Wandler mit definierter Absorptionskante zugeordnet werden. Dabei ist die Zusammenfassung von Sensoren in Spalten gleicher Farbselektion (R-G-3) oder jede andere beliebige Anordnung (u. a. Anordnung nach Bayer gemäß US-PS 3971065) möglich.. Die Auslesung und die Zusammensetzung des Farbbildes erfolgt dann mittels allgemein bekannter elektronischer Schaltungen«

Claims (7)

1. Srfindungsanspruch

   1. Wellenlängenselektive Wandleranordnung, die aus mit bekannten Verfahren hergestellten optoelektronischen \7andlerelementen und einer darüber-oder darunterliegenden Absorbtionsschicht besteht, gekennzeichnet dadurch, daß die Absorbtionsschicht aus einem amorphen ]?estkörpergemisch besteht und in der Absorbtionsschicht über oder unter den optoelektronischen Wandlerelementen Bereiche mit jeweils unterschiedlichen wellenlängenabhängigen Absorbtionscharakteristiken enthält.
2. 2. Wellenlängenselektive Wandleranordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Absorbtionsschicht eine amorphe oder POLY-kristalline plasmagestützt abgeschiedene CVD-Siliziumschicht ist, der Wasserstoffanteil zwischen 0,01 % und 35 % liegt und andere Dotierungselernente, beispielsweise Phosphor bis zu 5 % enthalten sind.
3. 3. ϊ/ellenlängenselektive Wan dl er anordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen den optoelektronischen Wandlerelementen und der Absorbtionsschicht und/oder auf der Absorbtionsschicht Isolatoroder Antireflezschichten vorhanden sind.
4. 4. Wellenlängenselektive Wandleranordnung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die optoelektronisehen Wandlerelemente Photowiderstände, Photodioden, Phototransistoren und/oder Lichtleitkabel mit diesen

   Bauelementen sind.
5. 5. Wellenlängenselektive Wandleranordnung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die optoelektroni-

   . sehen "Wandlerelemente Photowiderstände, Photodioden, . Phototransistoren, Vidikons und/oder CCD-Elemente sind, die sich auf einem Substrat befinden und mit einer sich auf/oder unter dem gleichen Substrat befindlichen Auswerteelektronik in Porm eines integrierten Schaltkreises oder mit einer separaten Äuswerteelektronik verbunden sind.
6. 6. Wellenlängenselektive Wandleranordnung nach den Punkten 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Absorbtionsschicht über den Wandlerelementen Gebiete mit diskret verschiedenen oder kontinuierlich veränderten Äbsorbtionseigenschaften aufyceist.
7. 7. Wellenlängenselektive Wandleranordnung nach den Punkten 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß sie aus einem oder mehreren diskreten Bauelementen mit jeweils eigener spezieller Absorbtionsschicht besteht.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen