DE10132583A1

DE10132583A1 - Rückseitenbestrahlbares MSM-Modul

Info

Publication number: DE10132583A1
Application number: DE10132583A
Authority: DE
Inventors: Peter Gulden; Martin Vossiek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2003-01-23
Also published as: WO2003005454A2; EP1405351A2; WO2003005454A3; US20050145969A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein BIMSM-Element (M, M'), wobei zumindest das Substrat (1, 1'), das Elektrodenpaar (2) und die lichtempfindliche Schicht (3) gemeinsam monolithisch aufgebaut sind, und mindestens eine Elektrode des Elektrodenpaars (2) zur Einkopplung einer Modulationsspannung verwendbar ist, mindestens eine Elektrode des Elektrodenpaars (2) zur Auskopplung eines Mischproduktes verwendbar ist und das MSM-Element (M, M') als elektrooptischer Mischer einsetzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein rückseitenbestrahlbares ("backilluminated") MSM-Element als elektrooptischen Mischer, ein entsprechendes MSM-Array und ein Verfahren zur Herstellung des MSM-Elementes.
Zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen einer einfallenden elektromagnetischen Welle und einer entsprechenden Modulationsspannung sind elektrooptische Mischer bekannt, auf der Grundlage von Metall-Halbleiter-Metall-("MSM" = Metal- Semiconductor-Metal)Strukturen bekannt, siehe MacDonald and Swekla 1990; Liu and MacDonald 1993; Ruff, Bruno et al. 2000; Shen, Stead et al. 2000).
Bisher werden Front-Illuminated-MSM-(FIMSM-)Elemente als elektrooptische Mischer eingesetzt, siehe Fig. 1, welche einige Nachteile aufweisen:

- die verwendeten Elektroden bedecken Teile des lichtempfindlichen Halbleiters, wodurch die Sensitivität des MSM-Elements reduziert wird;
- da die Elektroden auf der beleuchteten Oberfläche liegen, muss das MSM-Element entweder von dort entweder mittels sogenannter "Wirebonds" kontaktiert werden, wodurch Verbindungsleitungen notwendig werden, oder es müssen kostspielige Vias bis auf die Halbleiterunterseite geführt werden;
- das Feld der Elektroden reicht nur bis zu einer begrenzten Tiefe in den Halbleiter hinein. Dadurch unterliegen in relativ großer Tiefe generierte Photoelektronen nur noch sehr schwachen Feldstärken, oder es müssen spezielle, teure Halbleitermaterialien mit hoher Absorption wie z. B. GaAs eingesetzt werden;
- die Integration weiterer Funktionen im Halbleiter ist eingeschränkt bzw. sehr komplex.

Als reiner Photodetektor wird auch ein sogenanntes "Back Illuminated MSM"(BIMSM)-Element eingesetzt. Beim BIMSM-Element wird nicht die Seite mit der Metallisierung bzw. mit den Elektroden beleuchtet, sondern die Rückseite (Kim, Griem et al. 1992). Dadurch wird die Abdeckung des photoempfindlichen Halbleiters auf der Beleuchtungsseite vermieden, und das BIMSM-Element kann direkt auf der metallisierten Seite kontaktiert werden, z. B. mittels einer Flip-Chip-Technik.
Allerdings weisen BIMSM-Elemente noch einige Probleme auf:

- der Halbleiter muss sehr dünn sein, weshalb er ausgedünnt werden muss, was aufwendig und teuer ist und Probleme bei der Handhabung verursacht;
- eine weitere Integration von Ausleseelektronik und Anwendungschaltungen ist nur sehr schwierig möglich.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine BIMSM- Struktur bereitzustellen, welche zuverlässig arbeitet, eine einfach Integration der Auslesefunktionen ermöglicht und vergleichsweise einfach handzuhaben und preiswert und flexibel herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird mittels eines MSM-Elements gemäß Patentanspruch 1, eines MSM-Arrays nach Anspruch 9 sowie eines Herstellungsverfahrens gemäß Anspruch 12 gelöst.

Das MSM-Element ist rückseitenbeleuchtbar (BIMSM) und weist mindestens ein Substrat, mindestens ein oberhalb, z. B. direkt darauf, angebrachtes Elektrodenpaar, und mindestens eine wiederum darauf angebrachte lichtempfindliche Schicht, z. B. eine Halbleiterschicht, auf. Der monolithische Aufbau kann z. B. insbesondere durch Beschichtung geschehen. Es können aber auch noch zusätzliche Teile damit monolithisch verbunden sein wie z. B. eine Passivierungsschicht, eine zwischenliegende Isolierschicht oder Kontaktierungen. Durch den monolithischen Aufbau des BIMSM-Elements entfällt die bisher notwendige Verbindungstechnik, z. B. das Anbringen von Wirebonds, wodurch sich die Zuverlässigkeit erhöht und kleinere Strukturen mit höherem Integrationsgrad ermöglicht werden. Auch entfällt die schwierige und kostentreibende Handhabung und Nachbearbeitung der Halbleiterschicht, z. B. zur Ausdünnung. Das MSM-Element kann in vielen Fällen durch Standardprozesse in einem Herstellungsgang gefertigt werden. Dies gilt auch für MSM-Arrays mit mehreren MSM-Elementen oder -Einheiten oder auch für größere MSM-Module, bei denen auf dem Substrat auch andere Elemente aufgebracht sind, z. B. eine Auswerteelektronik. Das MSM-Element ist als elektrooptischer Mischer einsetzbar, wobei mindestens eine Elektrode des Elektrodenpaars zur Einkoppelung einer Modulationsspannung und mindestens eine Elektrode des Elektrodenpaars zur Auskopplung eines Mischproduktes verwendbar ist; die Wahl der Elektrode ist nicht eingeschränkt: es kann z. B. dieselbe Elektrode sein oder es können beide Elektroden zur Ein- und/oder Auskopplung eingesetzt werden, z. B. unter Verwendung eines geeigneten Filters oder Mischers.

Es ist vorteilhaft, falls die lichtempfindliche Schicht auf ihrer bestrahlbaren Fläche mit einer Passivierungsschicht beschichtet ist. Es ist auch günstig, wenn zwischen Substrat und Elektroden eine Isolierschicht vorhanden ist, insbesondere unter Verwendung von Vias durch die Isolierschicht zur elektrischen Verbindung von Substrat und Elektrodenstruktur. Auch ist es günstig, falls auf der der bestrahlbaren Fläche abgewandten Seite der lichtempfindlichen Schicht eine spiegelnde Schicht, z. B. ein Metallfilm, angebracht ist.

Es ist weiterhin günstig, falls in das Substrat des BIMSM- Elements ein elektronischer Baustein, insbesondere ein in VLSI-Technik gefertigter ASIC, integriert ist. Es ist dabei günstig, wenn die lichtempfindliche Schicht kristallin im elektronischen Baustein integriert ist, insbesondere, falls das Grundmaterial von Substrat und lichtempfindlicher Schicht das gleiche ist, günstigerweise Si.

Es ist vorteilhaft, wenn die photoempfindliche Schicht als amorpher Dünnfilm aufgebracht ist.

Auch kann es vorteilhaft sein, falls das Substrat aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, insbesondere Glas oder Keramik, insbesondere, falls sich auf dem Substrat zusätzliche Bausteine, z. B. eine separate Auswerteeinheit oder eine Pixelelektronik, befinden (Modulbauweise), die z. B. mittels Flip-Chip-Technik aufgebracht worden sind.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Schichtdicken des BIMSM-Elements so gewählt sind, dass die Durchlässigkeit der Grenzfläche zur lichtempfindlichen Schicht wellenlängenselektiv ist, insbesondere falls die Schichtdicken einem Viertel der bevorzugten Wellenlänge oder einem oder einem Vielfachen hiervon entsprechen.

Erfinderisch ist ebenfalls ein MSM-Array, das mindestens zwei MSM-Elemente (Pixel) aufweist, insbesondere falls diese MSM- Elemente an eine gemeinsame Modulationselektronik angeschlossen sind und/oder das mindestens eine integrierte Auswerteschaltung aufweist. Dabei wird ein MSM-Array bevorzugt, bei dem in jedem Pixel einzeln eine Ausleseschaltung zum Einzelbetrieb als photoelektrischer Mischer integriert ist.

Es ist zum vereinfachten Aufbau vorteilhaft, wenn die frequenzabhängige Verstärkung so gewählt ist, dass auf einen vorgeschalteten Filter verzichtet werden kann.

Das MSM-Element kann, vorzugsweise in VLSI (Very Large Scale Integrated)-Technik, so hergestellt werden, dass das Elektrodenpaar, ggf. mit einer Zwischenschicht oder in eine Schicht eingebettet, auf dem Substrat beschichtet aufgebracht wird, und mindestens das Elektrodenpaar derart beschichtet wird, das sich darauf die lichtempfindliche Schicht bildet.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Erfindung schematisch näher dargestellt:

Fig. 1 zeigt ein FIMSM-Element nach dem Stand der Technik in Schrägansicht (Fig. 1a), Seitenansicht (Fig. 1b) und Draufsicht (Fig. 1c);

Fig. 2 zeigt ein Sandwich-BIMSM-Modul in Seitenansicht (Fig. 2a) und Aufsicht (Fig. 2b) sowie in Seitenansicht mit verlängerten Elektroden (Fig. 2b);

Fig. 3 zeigt ein weiteres Sandwich-BIMSM-Modul;

Fig. 4 zeigt ein weiteres Sandwich-BIMSM-Modul;

Fig. 5 zeigt ein MSM-Array;

Fig. 6 zeigt ein MSM-System.

Fig. 1 zeigt skizzenhaft ein Front-Illuminated-MSM-Element (FIMSM), welches auf der rechten Seite, wie die Punkte es sybolisieren, weitergeführt wird.

Das Front-Illuminated-MSM-Element wird hergestellt, indem auf einem nicht oder schwach dotierten Halbleitersubstrat ST1 eine Metallschicht aufgebracht und fingerförmig strukturiert wird. Die Finger bzw. Fingerelektroden ST2 sind gegenläufig miteinander verbunden und werden mit einer Differenzspannung als Bias betrieben. Moduliert man diese Differenzspannung und beleuchtet gleichzeitig das MSM-Element mit intensitätsmoduliertem Licht ST3 gleicher Modulationsfrequenz, ist anschließend aus dem Mischprodukt eine Phasendifferenz bestimmbar.

Dieses FIMSM-Element wird über seine Elektroden ST2 an andere Bauteile, z. B. eine Auswerteelektronik, mit Methoden der Verbindungstechnik angeschlossen, z. B. mittels Wirebonds.

Bei Verwendung als BIMSM-Element muss bisher nach der Herstellung des photoempfindlichen Halbleitersubstrats ST1 dieses in einem nachgeschalteten Verfahrensschritt ausgedünnt werden, wodurch die Handhabung aufwendig wird. Die Kontaktierung mit anderen Bauteilen kann in diesem Fall z. B. auch mittels eines Flip-Chip-Verfahrens geschehen.

Fig. 2 zeigt ein als Schichtverbund monolithisch hergestelltes BIMSM-Element ("Sandwich-BIMSM-Element"). Auf ein Substrat in Form eines elektronischen Bauteils 1, hier: eines ASICs, sind eine erste Isolierschicht 6 und darauf ein metallisches (Finger-)Elektrodenpaar 2 in Dünnfilmtechnik, bevorzugt mittels Standard-VLSI-Prozessen nach Baker, J. R.; Li, H. W. et al 1998 aufgebracht. Das elektronische Bauteil 1 enthält beispielsweise eine Auslese- und Weiterverarbeitungseinheit 7 oder, z. B. bei Konfiguration in einem MSM-Array MAR, eine Pixelelektronik 8. Das Elektrodenpaar 2 ist in eine zweite Isolierschicht 6' eingebettet. Fig. 2b zeigt in Aufsicht die Geometrie des Elektrodenpaars 2 mit Lage der Vias 5. Auf das Elektrodenpaar 2 wiederum ist eine lichtempfindliche Schicht 3, in Form einer Halbleiter-Dünnschicht aus dotiertem amorphen Si aufgebracht. Die Halbleiter-Dünnschicht ist mit einer Passivierungsschicht 4 beschichtet. Zur Ankopplung von Elektrodenpaar 2 und elektronischem Bauteil 1 sind durch die erste Isolierschicht 6 punktuell Durchkontaktierungen ("Vias") 5 geführt, deren Lage sich an die jeweilige Anwendung anpassen lässt, siehe Fig. 2b. Das Elektrodenpaar 2 kann aber auch über seitliche Zuführungen 5' angeschlossen sein, siehe z. B. Fig. 3b. Die erste Isolierschicht 6 kann auch weggelassen werden, falls die Elektroden 2 sich ohne diese auf dem elektronischen Bauteil 1 unterbringen lassen; sie ist aber günstig zur Reduktion von Störungen und zur verbesserten Feldausbreitung. Das Material der zweiten Isolierschicht 6', welche ebenfalls optional ist, ist vorzugsweise gleich demjenigen der ersten Isolierschicht 6, also in diese eingebettet. Zur Verfahrenstechnik siehe z. B. Böhm, Blecher et al. 1998.

Der Vorteil dieses Aufbaus liegt in der vielfältigen Kombinationsmöglichkeit unterschiedlicher Materialien, insbesondere der Halbleitermaterialien, und in den Ermöglichung extrem hoher Füllfaktoren.

In Fig. 2a ist ein Sandwich-BIMSM-Element gezeigt, bei dem die Elektroden 2 innerhalb der zweiten Isolierschicht 6' liegen, wodurch die lichtempfindliche Schicht 3 sehr einfach aufgetragen werden kann und nicht nachbearbeitet, z. B. ausgedünnt, werden muss. Zur Verbesserung der Feldverteilung und somit zur Erhöhung des Modulationsgrades können die Elektroden 2' auch in die lichtempfindliche Schicht 3 hineinragen, wie in Fig. 2c gezeigt.

Bevorzugt werden Materialien gewählt, die in Standard-CMOS- Technik gut verwendbar sind, z. B. Pd, Au und andere Edelmetalle für die Elektrodenstruktur 2 und die Vias 5 sowie SiO₂ für die Isolierschichten 6, 6'. Das Material der lichtempfindlichen Schicht 3 ist nicht auf Halbleiter beschränkt sondern kann z. B. auch Polymere umfassen, welche den photoelektrischen Effekt zeigen. Als lichtempfindliche Halbleiterschicht eignet sich unter anderem amorphes Silizium, gegebenenfalls mit einer Dotierung. Die optionale Passivierungsschicht 4 ist bevorzugt durchsichtig. Das elektronische Bauteil 1 ist bevorzugt in Siliziumtechnik aufgebaut, aber nicht darauf eingeschränkt. Durch Verwendung mehrerer übereinanderliegender Dünnschichten können weitere Effekte, z. B. der Avalanche- oder der Tunneleffekt, genutzt werden.

In Fig. 3 besteht die lichtempfindliche Schicht 3 aus demselben Halbleiter-Grundmaterial wie das elektronische Bauteil 1, günstigerweise Si. In der lichtempfindlichen Schicht 3 kann das Si geeignet dotiert sein, siehe Sze 1969; Pierret 1996; Sze 1998. In diesem Ausführungsbeispiel ist auf das Aufbringen der ersten Isolierschicht 6 verzichtet worden, die photoempfindliche Schicht 3 liegt also direkt auf dem elektronischen Bauteil 1 auf. Weil das elektronische Bauteil 1 in der Regel aus mehreren Schichten, z. B. Halbleiter/Metall/Isolator, besteht, kann in dieser Ausführungsform nicht mehr zwischen dem elektronischen Bauteil 1 und den anderen MSM-Strukturen unterschieden werden, die MSM-Struktur kann als Teil des elektronischen Bauteils 1 gesehen werden. Somit kann das MSM-Element M auch so aufgefasst werden, dass im Substrat ein elektronischer Baustein 1, insbesondere ein in VLSI-Technik gefertigter ASIC, integriert ist.

Diese Vorgehensweise ist billiger als die Verwendung verschiedener Halbleiter für das elektronische Bauteil 1 und die lichtempfindliche Schicht 3, da ein Prozessschritt wegfällt. Jedoch lässt sich unter Umständen auch nur ein vergleichsweise geringerer Füllfaktor sowie eine nur begrenzte Verwendungsmöglichkeit verschiedener Halbleitermaterialien erreichen.

Die Elektroden 2 liegen entweder unter der lichtempfindlichen Schicht 3, siehe Fig. 3a, oder eingebettet innerhalb der lichtempfindlichen Schicht 3, siehe Fig. 3c.

Vorzugsweise werden die von CMOS-Kameras bekannten Materialien und Prozesse angewendet. Die Elektroden 2 werden durch geeignete Strukturierung der Metallschichten innerhalb des ASIC erzeugt. Die Auskoppelung der Mischsignals und die Einkoppelung der Modulation kann entweder analog zum vorherigen Ausführungsbeispiel durch Verbindung mit tiefer gelegenen Metallisierungsschichten erfolgen, oder seitlich durch Zuführungen, die eine Verbindung zu außerhalb der in der gleichen Schicht liegenden Teilen herstellen.

Die Auskopplung des Mischsignals kann in den beiden vorgestellten Ausführungsbeispielen entweder innerhalb des elektronischen Bauteils 1 oder mittels extern angebrachter Filterschaltungen erfolgen. Das elektronische Bauteile 1, hier: das ASIC, kann selbst wieder entweder mittels herkömmlicher Wirebonds von der Seite kontaktiert werden oder bei geeigneter Anordnung der Pads unter dem ASIC mittels Flip-Chip-Technik, z. B. Finepitch-Flip-Chip-Technik.

Fig. 4 zeigt eine Sandwich-BIMSM-Struktur M', bei der kein Halbleitersubstrat verwendet wird, sondern die Elektroden 2 direkt auf einen Isoliersubstrat 1', insbesondere einem keramischen oder Glas-Substrat, siehe z. B. L.-H. Laih 1999, aufgetragen sind und dann mit einer oder mehreren lichtempfindlichen Halbleiterschichten 3 beschichtet wurden. Dabei können die Elektroden 2 entweder flach ausgeführt werden, oder zur Verbesserung der Feldverteilung in die lichtempfindliche Schicht 3 hineinragen. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Trennung zischen Mischsignal und Modulationssignal mittels eines auf dem Substrat realisierten diskreten Filters 11. Anschließend können die Werte direkt von der externen Peripherie aufgenommen werden, z. B. in einem auf das Substrat 1' aufgebrachten integrierten Schaltkreis IC, hier einer Auslese- und/oder Weiterverarbeitungseinheit 7, gespeichert und/oder weiterverarbeitet werden.

Dieses Verfahren ermöglicht eine kostengünstige Realisierung großflächiger Strukturen. Bei entsprechen strukturierbaren Substraten 1', z. B. LTCC Keramiken und/oder Hochfrequenzkeramiken, können die Ausleseschaltung 7 und weitere Elektronik, gegebenenfalls in Verbindung mit diskreten Bauteilen 11, IC, direkt modular auf dem Substrat 1' realisiert werden, z. B. in Flip-Chip-Technik.

Allgemein, also auch in allen drei Ausführungsformen, kann die Kombination aus Elektroden 2 und lichtempfindlicher Schicht 3 so gewählt werden, dass sich entweder ein Schottky- oder ein ohmscher Übergang ausbildet. Des weiteren können auch entsprechend dotierte n-i-n-Übergänge verwendet werden. Zu den genannten Übergängen siehe u. a. Sze 1969; Pierret 1996; Sze 1998.

Bevorzugt werden für die Schichten 2, 3 die in Fischer 1996 genannten Dünnfilm-Kombinationen verwendet, da diese mit Standardprozessen kompatibel ist. Von besonderem Interesse ist zudem die Ausgestaltung der Elektroden 2 bzw. Vias 5 und Zuführungen 5' aus verschiedenen Metallen, um an einer Stelle einen Schottky-Übergang, z. B. beim Kontakt Elektroden 2 - photoempfindliche Schicht 3, an anderer Stelle hingegen einen ohmschen Kontakt zu realisieren, z. B. beim Kontakt Elektroden 2 - Auswerteschaltung 7.

Allgemein, also auch in allen drei Ausführungsformen, besteht eine bevorzugte Ausführung darin, die Schichtdicken, z. B. die Dicken a, b, c in Fig. 3, so zu wählen, dass sie einem Bruchteil bzw. einem Vielfachen des Bruchteiles der einfallenden Wellenlänge entspricht und der Bruchteil so gewählt wird, das der Übergang Luft-lichtempfindliche Schicht 3 bzw. Passivierungsschicht 4 - lichtempfindliche Schicht 3 oder Luft - lichtempfindliche Schicht 3 wellenlängenselektiv ist. Bevorzugte Bruchteile sind ein Viertel und ungerade Vielfache davon. Dabei kann entweder die z. B. gesamte Schicht c, oder der Teil a über den Elektroden, die Elektrodendicke b-a und der Teil c-b unter den Elektroden entsprechend gewählt werden.

Weiterhin kann die Empfindlichkeit allgemein dadurch gesteigert werden, dass nach der lichtempfindlichen Schicht 3 ein spiegelnder Übergang auf die nächste Schicht vorliegt, wodurch nicht absorbiertes Licht in die lichtempfindliche Schicht 3 zurückgeworfen wird, wo es dann noch absorbiert. Dies ist auch zur Realisierung einer dünneren Schicht günstig. Die Reflexion am Ende der lichtempfindlichen Schicht kann unter anderem durch einen anderen Brechungsindex der nächsten Halbleiterschicht oder durch Einziehen einer dünnen Metallschicht 9 realisiert werden.

Des weiteren kann auf der lichtempfindlichen Schicht 3 eine durchsichtige Passivierungsschicht 4 aufgebracht werden, z. B. um eine Oberflächenoxidation oder einen Abrieb zu verhindern. Diese Passivierungsschicht 4 kann zudem als Antireflexionsschicht ausgeführt sein oder in Verbindung mit dem Übergang zwischen der photoempfindlichen Schicht 3 und der darunter liegenden Schicht einen Fabry-Perot- oder Bragg-Resonator bilden, siehe dazu Kowalsky and Prank 1993; Litvin, Burm et al. 1993) und (Bassous, Halbout et al. 1994.

Geeignete Betriebsschaltungen für die Verwendung von FIMSM- Elementen als elektrooptische Mischer sind in (Ruff, Bruno et al. 2000; Shen, Stead et al. 2000) zu finden. Dabei kann man prinzipiell zwischen einseitiger und zweiseitiger Modulation unterscheiden. Bei einer üblichen Schaltung wird die Spannung an einer der beiden Fingerstrukturen mit einer bestimmten Frequenz moduliert. Der andere Finger wird auf eine konstante Biasspannung gelegt, und mittels eines Filters wird das Mischsignal ausgekoppelt. Eine solche Ausleseschaltung wird günstigerweise auch in jedem Pixel M1, . . ., Mmn der Sandwich- BIMSM-Struktur integriert. Bevorzugt wird dabei die frequenzabhängige Verstärkung der integrierten Verstärker so gewählt, dass ein vorgeschaltete Filter entfallen kann. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung ist, dass eine Entkoppelung der modulierten Elektroden 2 aller Pixel M1, . . ., Mmn entfällt, d. h. diese werden einfach verbunden und direkt zum Kontakt geführt.

Fig. 5 zeigt ein BIMSM-Array MAR mit einer Vielzahl von (m × n) MSM-Elementen M1, M2, Mn + 1, Mn + 2, . . . (Pixeln), die in zwei Richtungen n/m weitergeführt werden, wie durch die Punkte und Pfeile angedeutet. Sollte dabei die Kapazität aller verbundenen Modulationselektroden zu groß werden, können, z. B. im Substrat 1, Treiber 10 für die Modulationsspannung integriert werden, z. B. in jedem Pixel M1, M2, . . ., Mn + 1, Mn + 2, . . ., Mnm (durch die Dreiecke angedeutet), oder bei Anordnung im Array MAR zu Beginn jeder Array-Zeile 1 . . . n bzw. 1 . . . m.

In manchen Fällen kann ein höherer technischer Aufwand zur Unterdrückung von Störsignalen erforderlich sein. Dann werden beide Elektroden des jeweiligen Elektrodenpaars 2 komplementär moduliert, und an jeder der beiden Elektroden 2 wird das Mischprodukt ausgekoppelt. Das Modulationssignal wird in dieser Ausführungsform über einen gemeinsamen Leiter 14 eingespeist; über seitliche Kontaktierungen 5', sind die Pixel M1, M2, . . ., Mn + 1, Mn + 2, . . ., Mnm mit die mit einer Pixelelektronik 8 (nicht dargestellt) verbunden, die das Bias liefert, ein Ausgangssignal filtert und verstärkt sowie evtl. das Signal speichert und eine Adressierlogik umfasst.

Anschließend können gemeinsame Störungen mittels Differenzbildung unterdrückt werden, ähnlich dem Stand der Technik für PMD-Sensoren nach (Schwarte 1997; Schwarte 1997). Bevorzugt wird eine solche Schaltung in jedes Pixel M1, M2, Mn + 1, Mn + 2, Mnm integriert. Dabei kann das Problem der Entkoppelung der einzelnen Pixel M1, M2, . . ., Mn + 1, Mn + 2, . . ., Mnm beispielsweise entweder durch kapazitive Einkoppelung der Modulationssignale jedes Pixels M1, M2, Mn + 1, Mn + 2, Mnm oder durch Integration eines Verstärkers 12 in jedes Pixel Pixel M1, M2, . . ., Mn + 1, Mn + 2, . . ., Mnm geschehen. Das Auslesen erfolgt dann hinter dem Verstärker 12, wobei wie zuvor entweder ein Filter 11 oder ein angepasster Ausleseverstärker bzw. eine Ausleseeinheit 7 integriert wird.

Das Auslesen der entsprechenden Signale kann z. B. nach Böhm, Blecher et al. 1998 entweder als Strom- oder als Spannungsauslese erfolgen. Dabei werden bevorzugt die Ausleseschaltungen 7, Speichermöglichkeiten und Adressierungsverfahren der Pixelelektronik 8 in jedem Pixel Pixel M1, M2, . . .,Mn + 1, Mn + 2, . . ., Mnm implementiert. Von besonderem Interesse sind dabei Verfahren mit hoher Dynamik, z. B. nach Lule, Keller et al. 1999. Im Falle der beidseitigen Modulation werden günstigerweise Verfahren und Anordnungen, insbesondere zur Differenzbildung nach Schwarte 1997; Schwarte 1997 in jedes Pixel M1, M2, Mn + 1, Mn + 2, Mnm integriert.

Ebenfalls günstig sind MSM-Elemente, in die Sigma-Delta Konverter integriert werden, siehe analog dazu Gulden, Vossiek et al. 2000 für PMDs.

Die "Sandwich-MSM"-Mischer können dann mit den für PMD- Strukturen beschriebenen Modulationsverfahren, z. B. IQ, Pseudo Noise (Schwarte 1997; Schwarte 1997), 2-Frequenz, FSCW, FMCW (Gulden, Vossiek et al. 2000) beschrieben werden. Des weiteren kann nach eine elektrooptische Regelschleife, unter anderem für die Entfernungsmessung, realisiert werden, siehe z. B. Gulden, Vossiek et al. 2000.

Aufgrund der deutlich erhöhten Systemverbesserungen, insbesondere in Bezug auf Bandbreite, Dynamik und Genauigkeit können durch "Sandwich-MSM"-Strukturen neue Anwendungen und Messbereiche erschlossen werden.

Fig. 6 zeigt ein System zur Entfernungsmessung unter Verwendung eines monolithischen MSM-Arrays MAR. Das System weist eine Lichtquelle Q zur Abstrahlung modulierten Lichtes auf, z. B. eine Laserdiode oder eine LED, dem eine Ausgangsoptik TO nachgeschaltet ist. Das System umfasst weiterhin eine Empfängeroptik RO zur Bündelung des einfallenden modulierten Lichts ST3, welches dann auf das MSM-Array MAR fällt. Die Bündelung des einfallenden Lichts kann durch die Verwendung von bereits für CMOS-Sensoren oder PMD-Systemen verwendeten Optiken und Linsen erfolgen, siehe Tai, Schwarte et al. 2000.

Das MSM-Array MAR kann mittels einer Auslese- und/oder Weiterverarbeitungseinheit 7, beispielsweise eines Computers, eines Digitalen Signalprozessors, eines Mikroprozessors oder eines FPGA, gesteuert werden. Die Auslese- und/oder Weiterverarbeitungseinheit 7 empfängt Daten SIG3 vom MSM-Array MAR und liefert diesem ein Ansteuersignal SIG2. Sie gibt in diesem Ausführungsbeispiel auch Messdaten OUT aus, z. B. Daten zur Entfernungsmessung, liefert ein Ansteuersignal SIG1 für die Pixelelektronik 8 (hier: Modulationselektronik), welche wiederum das MSM-Array MAR und die Lichtquelle Q steuert.

Ein solches System kann z. B. zur Überwachung der Sitzposition im Auto angewendet werden (Mengel and Doemens 1997; Doemens and Mengel 1998). Ein ähnliches System kann auch zur Überwachung des Autoaußenraums eingesetzt werden (Schwarte, Buxbaum et al. 2000). Bevorzugte Realisierungen dieser Systeme benutzen Infrarotlicht, um den Autofahrer nicht zu stören. Von besonderem Interesse ist dabei die Beachtung der Normen für Augensicherheit (VDE 1994), was durch die Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge größer 1400 nm, sowie geeigneter Empfangsmaterialien erleichtert wird. Die geeignete Materialien gemäß dem Stand der Technik sind u. a. in (Sze 1969; Pierret 1996; Sze 1998) wiedergegeben. Bevorzugte Montagepositionen sind direkt hinter der Windschutzscheibe, oder in den vorhandenen Scheinwerfern.

Vergleichbare Systeme mit direkter Stromauslese können erfindungsgemäß als Phasendetektoren in elektrooptischen Regelschleifen, z. B. in einer PLL, als Phasendetektor zur Taktsynchronisation oder als Demodulator in z. B. in CDMA oder QPSK Kommunikationssystemen eingesetzt werden (Buxbaum, Schwarte et al. 2000).
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Claims

1. Rückseitenbeleuchtbares MSM-Element (M, M'), mindestens aufweisend
ein Substrat (1, 1'),
ein oberhalb des Substrats (1, 1') angebrachtes Elektrodenpaar (2),
mindestens eine mindestens auf dem Elektrodenpaar (2) angebrachte lichtempfindliche Schicht (3), welche auf der dem Elektrodenpaar (2) abgewandten Seite bestrahlbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest das Substrat (1, 1'), das Elektrodenpaar (2) und die lichtempfindliche Schicht (3)gemeinsam monolithisch aufgebaut sind,
mindestens eine Elektrode des Elektrodenpaars (2) zur Einkopplung einer Modulationsspannung verwendbar ist,
mindestens eine Elektrode des Elektrodenpaars (2) zur Auskopplung eines Mischproduktes verwendbar ist,
das MSM-Element (M, M') als elektrooptischer Mischer einsetzbar ist.

2. MSM-Element (M, M') nach Anspruch 1, bei dem die lichtempfindliche Schicht (3) mit einer Passivierungsschicht (4) beschichtet ist.

3. MSM-Element (M, M') nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem zwischen Substrat (1, 1') und Elektrodenpaar (2) eine erste Isolierschicht (6) vorhanden ist.

4. MSM-Element (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem im Substrat (1) ein elektronischer Baustein, insbesondere ein in VLSI-Technik gefertigter ASIC, integriert ist.

5. MSM-Element (M) nach Anspruch 4, bei dem die lichtempfindliche Schicht (3) kristallin im elektronischen Baustein (1) integriert ist.

6. MSM-Element (M') nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Substrat ein isolierendes Substrat (1') ist, insbesondere aus Keramik oder Glas ist.

7. MSM-Element (M) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die lichtempfindliche Schicht (3) als amorpher Dünnfilm aufgebracht ist, insbesondere mit Silizium als Grundmaterial.

8. MSM-Element (M, M') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Schichtdicken (a, b, c) so gewählt sind, dass die Durchlässigkeit der Grenzfläche zur lichtempfindlichen Schicht (3) wellenlängenselektiv ist, insbesondere falls die Schichtdicken (a, b, c) einem Viertel oder einem Vielfachen der bevorzugten Wellenlänge entsprechen.

9. MSM-Array (MAR), aufweisend mindestens zwei MSM-Elemente (M, M') mit jeweils integrierten Auswerteschaltungen (7), insbesondere angeschlossen an eine gemeinsame Pixelelektronik (8).

10. MSM-Array (MAR) nach Anspruch 9, bei dem in jedem MSM-Element (M, M') einzeln eine Ausleseschaltung (7) integriert ist.

11. MSM-Array (MAR) nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die frequenzabhängige Verstärkung so gewählt ist, dass auf einen vorgeschalteten Filter verzichtet werden kann.

12. Verfahren zur Herstellung eines MSM-Elements (M, M'), bei dem
das Substrat (1, 1') mindestens mit der Leiterstruktur (2) beschichtet wird,
mindestens die Leiterstruktur (2) derart beschichtet wird, das sich darauf die Halbleiterstruktur (2) bildet.