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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein integriertes optisches
Bauelement mit einem photonischen Kristall, das beispielsweise als
Sensorelement für einen Farbsensor eingesetzt werden kann.
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Eine
Farbe eines Objekts ist beispielsweise ein guter Indikator zur Qualitätskontrolle
bei verschiedenen Fertigungsprozessen. Um die Farbe eines Objekts
festzustellen, können optische Farbsensoren verwendet werden.
Optische Farbsensoren auf Basis von Silizium-Photodioden mit zusätzlichem
Farbfilter für eine entsprechende spektrale Selektivität
sind seit langem bekannt. Ein derartiger optischer Farbsensor umfasst
mehrere getrennte Photodioden mit beschichteten Oberflächen.
Die optisch wirksamen Farbschichten sind spektral selektiv, so dass
nur ein entsprechender Teil eines insgesamt einfallenden elektromagnetischen
Spektrums durchgelassen wird und die restlichen Spektralanteile
absorbiert oder reflektiert werden.
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Bildsensoren,
die eine Matrix bestehend aus mehreren Millionen Pixeln aufweisen,
wobei jedes Pixel wenigstens drei Photodioden umfasst, die auf ihrer
lichtempfindlichen Oberfläche einen optischen Bandpass-Filter
aufweisen, sind ebenfalls bekannt. Solche Bildsensoren können
für Kameraanwendungen eingesetzt werden.
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Optische
Farbsensoren können allerdings auch ohne klassische Farbfilter
aufgebaut werden. In der Schrift
US 6998660 B2 wird beispielsweise ein Farbsensor
beschrieben, dessen Funktionsprinzip auf einer stark wellenlängenabhängigen
Absorption von Silizium beruht. In der Veröffentlichung
P. B. Catrysse und B. A. Wandell, „Integrated color Pixels
in 0.18-μm complementary metal Oxide semiconductor technolo gy",
wird ein Farbsensor auf Basis von periodisch strukturierten Metallschichten
beschrieben, wobei der Farbsensor in einer CMOS-Technologie implementiert
ist. Die Schrift
US
7129982 B1 beschreibt einen Farbsensor, der aus einem Photodioden-Array
hergestellt in CMOS-Technologie besteht, sowie aus einem sogenannten
Echelon-Gitter aus einem Sol-Gelmaterial, das in einem zusätzlichen
Prozessschritt aufgebracht wird. Die Oberseite des Gitters ist dabei
durch eine Schutzschicht geschützt.
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Soll
ein optischer Farbsensor klassisch, d. h. mit Farbfilter, aufgebaut
werden, so sind dazu bisher zwei Technologieschritte erforderlich.
Zunächst wird eine Photodiode beispielsweise in einem CMOS-Prozess
hergestellt. In einem darauffolgenden Schritt wird die Photodiode
bzw. deren Oberfläche optisch beschichtet. Werden dazu
Standard-Technologien verwendet, so wird eine genau definierte spektrale Filterung
von einzelnen Farbkanälen erhalten, welche nicht beliebig
gewählt werden können, sondern fest vorgegeben
sind.
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Der
in der Schrift
US 6998660
B2 beschriebene Farbsensor weist einen vertikalen Aufbau
auf. In dieser Art realisierte Farbsensoren weisen eine relativ
schlechte spektrale Trennung auf, da keine Farbfilter mit steilen
Flanken realisiert werden können. Des Weiteren besteht
aufgrund eines an zahlreichen Strukturen entstehenden Streulichts
ein großes übersprechen zwischen verschiedenen
Farbkanälen.
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Der
in der Veröffentlichung „Integrated color Pixels
in 0.18-μm complementary metal Oxide semiconductor technology"
beschriebene Farbsensor weist einen Photodiodenchip auf, der mit
periodisch strukturierten Metallschichten abgedeckt ist, welche stets
eine gleiche Struktur aufweisen und ohne einen lateralen Versatz
direkt übereinander angeordnet sind. Der beschriebene Aufbau
funktioniert allerdings nur bei nahezu idealen Bedingungen zufriedenstellend.
D. h., der beschriebene Farbsensor muss mit gut kollimiertem Licht
be strahlt werden, welches senkrecht zu den strukturierten Metallschichten
einfällt. Außerdem muss das Licht linear polarisiert
sein. Des Weiteren hat die Gitterstruktur der strukturierten Metallschicht
keine fokussierende Wirkung. Daher entsteht zwischen benachbarten
Photodioden Übersprechen zwischen unterschiedlichen Farbkanälen. Zwei übereinanderliegende
Metallschichten bilden definitionsgemäß einen
sogenannten Fabry-Perot-Resonator, welcher sehr empfindlich bezüglich der
Qualität der Metalloberfläche und insbesondere des
Schichtabstands ist. Dies hat zur Folge, dass eine solche Struktur
sehr empfindlich hinsichtlich von Toleranzen von CMOS-Prozessen
ist.
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Die
Schrift
US 7129982 zeigt
eine Photodiode mit abgeformtem Echelon-Gitter. Dieses Gitter ist eine
optische Mikrostruktur und ein Aufbau solcher Strukturen ist im
Rahmen eines CMOS-Prozesses mit zusätzlichen Prozessschritten
möglich. Die optische Struktur muss mechanisch geschützt
sein und hat ebenso wie die Gitterstrukturen der Metallschichten
in der Veröffentlichung „Integrated color Pixels
in 0.18-μm complementary metal Oxide semiconductor technology"
keinen Schutz gegen Streulicht aus anderen Beugungsordnungen.
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Wünschenswert
wäre daher ein vollständig, d. h. ohne zusätzliche
Prozessschritte, in einem herkömmlichen CMOS-Prozess herstellbares
optisches Bauteil mit hoher spektraler Selektivität, das
als Farbsensor bzw. als Sensorelement zur Selektion einer gewünschten
elektromagnetischen Wellenlänge eingesetzt werden kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein optisches
Bauteil mit verbesserter spektraler Selektivität bereitzustellen,
das vollständig in CMOS-Prozessschritten hergestellt werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein integriertes optisches Bauteil mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1, ein integriertes Farbarray gemäß Anspruch
22 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 23 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein integriertes
optisches Bauteil mit den gewünschten Eigenschaften realisiert
werden kann, indem ein optoelektronisches Bauteil, in Form eines
Pixelsensors oder einer elektromagnetischen Strahlungsquelle, gemeinsam
mit wenigstens einem photonischen Kristall bzw. einer Struktur mit Eigenschaften
eines photonischen Kristalls auf einem Halbleitersubstrat integriert
wird, um vorteilhafte Eigenschaften des photonischen Kristalls,
wie beispielsweise eine hohe spektrale Selektivität und
Fokussierwirkung auszunutzen.
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Gemäß einer
Ausführungsform kann das optische Bauteil als Sensorelement
zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung eines vorbestimmten
Wellenlängenbereichs ausgebildet sein. Dabei ist das opto-elektronische
Bauteil als Pixelsensor, insbesondere als Fotodiode, ausgebildet.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform kann das optische Bauteil als eine
elektromagnetische Strahlungsquelle zum Ausstrahlen von elektromagnetischer
Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs ausgebildet
sein. Dabei ist das opto-elektronische Bauteil als Strahlungsquelle,
insbesondere als Leuchtdiode, ausgebildet.
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Unter
einem photonischen Kristall soll im Nachfolgenden eine dreidimensionale
periodische Struktur verstanden werden, deren periodisch angeordnete
Strukturelemente Abmessungen und Abstände zueinander aufweisen,
die in der Größenordnung des vorbestimmten Wellenlängenbereichs
der elektromagnetischen Strahlung liegen. Photonische Kristalle
umfassen strukturierte Metalle, Halbleiter, Gläser oder
Polymere und zwingen elektromagnetische Strahlung, insbesondere
Licht, mittels ihrer spezifischen Struktur dazu, in der sich für
eine Bauteilfunktion notwendigen Art und Weise im Medium auszubreiten.
Es sind gemäß Ausführungsbeispielen periodisch
dielektrische und/oder metallische Strukturen, deren Periodenlänge
so eingestellt ist, dass sie die Ausbreitung elektromagnetischer
Strahlung, insbesondere Licht, in ähnlicher Weise beeinflussen, wie
das periodische Potential in Halbleiterkristallen die Ausbreitung
von Elektronen. Dies führt dazu, dass sich elektromagnetische
Strahlung bzw. Licht bestimmter Wellenlängen nicht im photonischen
Kristall ausbreiten kann. Diese Wellenlängen sind gewissermaßen
verboten. Die spektrale Filterwirkung photonischer Kristalle ist
seit einigen Jahren bekannt und durch Experimente bestätigt.
Beispielsweise zeigen Ergebnisse in „Air-bridged phototonic
crystal slabs at visible and near-infrared wavelenghts" K. B. Crozier, Virginie
Lousse, Onur Kilic, Sora Kim, Shanhui Fan, and Olav Solgaard, dass
bei dreidimensional periodisch strukturierten Metallflächen
nicht alle Wellenlängen gleichermaßen durch solche
Strukturen hindurchtreten, wenn die Strukturen kleiner als die Wellenlänge
sind. Aus der Arbeit „The Optical Properties of Metal Nanoparticles:
The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment" K. Lance
Kelly, Eduardo Coronado, Lin Lin Zhao, and George C. Schatz folgt, dass
die spektralen Eigenschaften solcher periodischer Strukturen stark
von der Form der einzelnen Strukturelemente abhängen. Die
fokussierende Wirkung dreidimensionaler photonischer Kristalle (d.
h. eine Ablenkung elektromagnetischer Strahlung vom Rand zur Mitte
des photonischen Kristalls hin) wurde gezeigt in „Analysis
of focusing effects of 3-D photonic crystal lens by the method of
moments" Chaowei Su, Chi Hou Chan, Ka Fai Chan.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich zu einem opto-elektronischen
Bauteil auf einem Halbleitersubstrat wenigstens ein photonischer
Kristall bzw. eine periodische Anordnung von photonischen Kristallen
aus einem Schichtstapel aus strukturierten metallischen dielektrischen
Schichten integriert, mit optisch filternden und fokussierenden
Eigenschaften. Die strukturierten Metallschichten weisen dazu Struktur-
bzw. Mikroelemente auf, deren Abmessungen und Abstände
zueinander in der Größenordnung des vorbestimmten
Wellenlängenbereichs liegen, für den das integrierte
optische Bauteil ausgebildet ist. Die Mikroelemente der Metallschichten
sind dreidimensional periodisch angeordnet. Gemäß Ausführungsbeispielen
sind benachbarte Mikroelemente benachbarter Metallschichten identisch
ausgebildet und liegen auf einer gemeinsamen optischen Achse. Mikroelemente können
gemäß Ausführungsbeispielen Mikroöffnungen
mit Abmessungen und Abständen in dem vorbestimmten Wellenlängenbereich
sein. Gemäß einer Ausführungsform umfassen
die Mikroelemente sogenannte Split-Ring-Resonatoren mit Abmessungen und
Abständen in dem vorbestimmten Wellenlängenbereich.
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Bei
einem als optischer Sensor wirkenden integrierten Bauelement gemäß Ausführungsbeispielen
wird eine auf einer dem Pixelsensor bzw. der Photodiode abgewandten
Seite des wenigstens einen photonischen Kristalls einfallende elektromagnetische
Strahlung durch die auf den vorbestimmten Wellenlängenbereich
abgestimmte dreidimensionale periodische Struktur des als Filterstruktur
wirkenden wenigstens einen photonischen Kristalls gefiltert, so dass
in einer Nähe des Pixelsensors nur noch elektromagnetische
Strahlung des vorbestimmten Wellenlängebereichs empfangbar
ist. D. h. der Pixelsensor ist in einem Feldkonzentrationsbereich
(quasi ein Brennpunktbereich, wenn man den photonischen Kristall
als Linse betrachten würde) der Filterstruktur für
die elektromagnetische Strahlung angeordnet. Durch die fokussierende
Wirkung der Filterstruktur bzw. des wenigstens einen photonischen
Kristalls wird in der Nähe des Pixelsensors das elektromagnetische
Feld des vorbestimmten Wellenlängenbereichs konzentriert.
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Bei
einem als Strahlungsquelle wirkenden integrierten Bauelement gemäß Ausführungsbeispielen
wird eine auf einer der Lichtquelle bzw. Leuchtdiode zugewanden
Seite des wenigstens einen photonischen Kristalls einfallende elektromagnetische Strahlung
der Lichtquelle durch die auf den vorbe stimmten Wellenlängenbereich
abgestimmte dreidimensionale periodische Struktur der Filterstruktur bzw.
des wenigstens einen photonischen Kristalls gefiltert, so dass auf
einer der Lichtquelle bzw. Leuchtdiode abgewandten Seite des wenigstens
einen photonischen Kristalls austretende elektromagnetische Strahlung
nur noch Wellenlängen des vorbestimmten Wellenlängenbereichs
aufweist. Auch hier wird die Lichtquelle vorzugsweise in dem Feldkonzentrationsbereich
der Filterstruktur angeordnet. In dem Fall eines Leuchtelements
als elektrooptischem Bauelement kann zudem die Sub-Lambda-Zonenplattenstruktur
eine positive, die Raumwinkelverteilung beeinflussende Wirkung aufweisen.
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Um
die spektral selektierende Wirkung eines integrierten Bauelements
gemäß Ausführungsbeispielen zu verbessern,
kann zwischen dem opto-elektronischen Bauteil und der Filterstruktur
mit dem wenigstens einen photonischen Kristall eine Metallschicht
mit einer Öffnung angeordnet werden. Dabei befindet sich
der Mittelpunkt der Öffnung, welcher insbesondere eine
kreisförmige Öffnung sein kann, vorzugsweise auf
der optischen Achse der Filterstruktur (Mikrolinse auf Basis photonischer
Kristalle) nahe dem Feldkonzentrationsbereich.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
ist der Abstand zwischen dem opto-elektronischen Bauteil und der
Filterstruktur kleiner als 20 μm und bevorzugt kleiner
als 8 μm. Bei 0,18 μm-CMOS-Prozessen ist der Abstand
zwischen dem optoelektronischen Bauteil und der Filterstruktur kleiner
als 2 μm.
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Aus
einer Mehrzahl von als optische Sensoren wirkenden integrierten
Bauelementen gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise ein integrierter
Farbsensor aufgebaut werden, indem eine Mehrzahl von Sensorelementen
mit Filterstrukturen mit photonischen Kristallen und Pixelsensoren
in einer Ebene benachbart zueinander integriert wird. Dabei entsteht
ein Array bzw. eine Matrix aus Filterstrukturen mit photonischen Kristallen.
Dabei können die photonischen Kristalle der einzelnen Sensorelemente
auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche eingestellt werden.
Für einen RGB-Farbsensor (RGB = Rot Grün Blau)
werden benachbarte Sensorelemente beispielsweise auf rotes, grünes
und blaues Licht eingestellt. Natürlich sind auch mehr
als drei unterschiedliche Farben bzw. Wellenlängenbereiche
möglich.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mit integrierten
Bauelementen gemäß Ausführungsbeispielen
eine hohe spektrale Auflösung und steile Filterflanken
erzielt werden können, da ein integriertes Bauelement gemäß Ausführungsbeispielen
so ausgelegt werden kann, dass jeweils nur eine Wellenlänge
bzw. durch den wenigstens einen photonischen Kristall herausgefiltert
wird. Des Weiteren kann mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung die spektrale Filterbreite des innerhalb eines CMOS-Prozesses
realisierten Filters mit wenigstens einem photonischen Kristall
angepasst werden, das heißt, die spektralen Eigenschaften
eines Farbkanals können nahezu frei definiert werden, und
zwar nur im Rahmen der Herstellung ohne zusätzliche Prozessierung.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine Realisierung
eines einfachen Farbsensors. Des Weiteren können farbempfindliche
Pixel in einem zweidimensionalen Bildsensor realisiert werden. Dabei
umfasst ein farbempfindlicher Pixel bzw. ein Superpixel beispielsweise
drei Sensorelementen für unterschiedliche Wellenlängen.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
für ein Funktionieren eines integrierten Bauteils gemäß Ausführungsbeispielen und
die fokussierende Wirkung desselben nicht zwingend kollimiertes
und/oder polarisiertes Licht erforderlich ist.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines integrierten Bauelements mit einer
Filterstruktur mit einem Array aus photonischen Kristallen und einem optoelektronischen
Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Seitenansicht eines mit CMOS-Technik gefertigten Schichtstapels
aus opto-elektronischem Bauteil, Metallschichten und dielektrischen
Schichten gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3a eine
Seitenansicht eines Ausschnitts eines Bauelements mit wenigstens
einem photonischen Kristall gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3b eine
Seitenansicht von drei benachbart integrierten Bauteilen gemäß 3a;
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4a eine
Seitenansicht eines Ausschnitts eines Bauelements mit wenigstens
einem photonischen Kristall und zusätzlicher Metallschicht
mit Öffnung zwischen photonischem Kristall und Pixelsensor
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
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4b eine
Seitenansicht von drei benachbart integrierten Bauteilen gemäß 4a;
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5a eine
Draufsicht auf eine Metallschicht mit Split-Ring-Resonatoren gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5b eine
Draufsicht auf eine Metallschicht mit Split-Ring-Resonatoren und
darunter liegender Metallschicht mit Lochöffnung, gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
schematische Darstellung einer elektromagnetischen Feldkonzentration
in einer Nähe einer mit einer Öffnung versehenen
Metallschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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7 eine
schematische Seitenansicht von dreidimensionalen Mikroelementen;
und
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8 eine
Draufsicht auf einen Array aus photonischen Kristallen gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bezüglich
der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei
den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder
gleich wirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen
und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen,
im Nachfolgenden dargestellten, Ausführungsbeispielen untereinander
austauschbar sind.
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1 zeigt
eine schematische Ansicht eines integrierten Bauelements 10 zur
Filterung von elektromagnetischer Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs,
wobei zur Verdeutlichung des Aufbaus des integrierten Bauelements 10 ein
Ausschnitt besonders hervorgehoben ist.
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Das
integrierte Bauelement 10 weist eine Filterstruktur 12 mit
wenigstens einem photonischen Kristall bzw. einem Array aus photonischen
Kristallen auf und ein opto-elektronisches Bauteil 14,
wobei die Filterstruktur 12 und das optoelektronische Bauteil 14 gemäß Ausführungsbeispielen
derart in einem Halbleitersubstrat 16 integriert sind,
so dass das opto-elektronische Bauteil 14 in einem Feldkonzentrationsbereich
der Filterstruktur 12 angeordnet ist.
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Wie
im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, handelt es sich bei
der Filterstruktur 12 gemäß Ausführungsbeispielen
um einen photonischen Kristall bzw. um eine periodische Anordnung
einer Mehrzahl von photonischen Kristallen, wobei die Filterstruktur 12 bzw.
jeder der photonischen Kristalle aus einem Schichtstapel aus dielektrischen
Schichten und strukturierten Metallschichten gebildet ist, worauf
im Nachfolgenden noch näher eingegangen wird.
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An
dieser Stelle soll anhand von 8, welche
eine Draufsicht auf 1 darstellt, erläutert
werden, was im Folgenden unter einem photonischen Kristall bzw.
einem Array aus photonischen Kristallen verstanden werden soll.
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Ein
einzelner photonischer Kristall der Filterstruktur 12 ist
in 8 mit Bezugszeichen 22 gekennzeichnet,
während die Gesamtheit der photonischen Kristalle als Array 24 bzw.
periodische Anordnung von photonischen Kristallen bezeichnet werden soll.
Dabei kann der Array 24 von photonischen Kristallen wiederum
als ein größerer, übergeordneter photonischer
Kristall betrachtet werden.
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Bei
Ausführungsbeispielen bewirkt die Filterstruktur 12 mit
dem wenigstens einen photonischen Kristall 22 für
auf einer dem opto-elektronischen Bauteil 14 abgewandten
Seite 20 eintreffenden elektromagnetischen Strahlung 18 eine
spektrale Selektion bzw. eine spektrale Filterung sowie eine Fokussierung
elektromagnetischer Strahlung eines vordefinierten Wellenlängenbereichs
in dem Feldkonzentrationsbereich, so dass nahe einer dem opto-elektronischen
Bauteil 14 zugewandten Seite der Filterstruktur bzw. nahe
dem optoelektronischen Bauteil 14 für den vordefinierten
Wellenlängenbereich eine elektomagnetische Feldkonzentration
vorherrscht, welche von dem opto-elektronischen Bauteil 14 detektiert werden
kann. Dabei handelt es sich bei Ausfüh rungsbeispielen bei
dem opto-elektronischen Bauteil 14 um ein Bauteil, das
elektromagnetische Strahlung in ein elektrisches Signal umwandeln
kann, wie z. B. ein PN-Übergangssensor. Dabei meint ein
PN-Übergangssensor einen Sensor mit einem durch unterschiedliche
Dotierung realisierten PN-Übergang. Gemäß Ausführungsbeispielen
ist der PN-Übergangssensor als Photodiode ausgebildet.
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Im
optischen Wellenlängenbereich bedeutet dies eine spektrale
Selektion einer bestimmten Wellenlänge bzw. eines vordefinierten
Wellenlängenbereichs um die Wellenlänge durch
den wenigstens einen photonischen Kristall 22, und eine
Fokussierung des Lichts mit der vorbestimmten Wellenlänge.
Welche Wellenlänge der wenigstens eine photonische Kristall 22 passieren
lässt und welche Wellenlängen von ihm herausgefiltert
werden, hängt von der dreidimensionalen periodischen Struktur
des wenigstens einen photonischen Kristalls 22 bzw. dem
Array 24 ab.
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Somit
können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
beispielsweise als Sensorelement verwendet werden, um elektromagnetische Strahlung,
insbesondere Licht, in dem vordefinierten Wellenlängenbereich
zu detektieren.
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Bei
einem als Strahlungsquelle wirkenden integrierten Bauelement 10 gemäß Ausführungsbeispielen
ist das optoelektronischen Bauteil 14 ein Bauteil, das
ein elektrisches Signal in elektromagnetische Strahlung, insbesondere
Licht, umwandeln kann, wie z. B. eine Leuchtdiode. Hier wird eine
auf einer der Leuchtdiode zugewanden Seite des wenigstens einen
photonischen Kristalls 22 einfallende elektromagnetische
Strahlung der Leuchtdiode 14 durch die auf den vorbestimmten
Wellenlängenbereich abgestimmte dreidimensionale periodische Struktur
der Filterstruktur 12 bzw. des Arrays 24 aus photonischen
Kristallen 22 gefiltert, so dass auf einer der Leuchtdiode 14 abgewandten
Seite 20 der Filterstruktur 12 austretende elektromagnetische
Strahlung bzw. Licht nur noch Wellenlängen des vorbestimmten
Wellenlängen bereichs aufweist. Auch hier wird die Lichtquelle
bzw. die Leuchtdiode 14 vorzugsweise in dem Feldkonzentrationsbereich
der Filterstruktur 12 angeordnet.
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Sowohl
bei einem Sensor als auch bei einer Strahlungsquelle ist das opto-elektronische
Bauteil 14 also vorzugsweise in dem Feldkonzentrationsbereich
der Filterstruktur 12 bzw. des Arrays 24 von photonischen
Kristallen 22 angeordnet. Der Feldkonzentrationsbereich
weist von der zweiten Seite der Filterstruktur 12 einen
vorbestimmten Abstand d auf, der im Wesentlichen durch die Prozesstechnologie bestimmt
wird. Gemäß Ausführungsbeispielen ist
der Abstand d bei einer 0,18 μm CMOS-Prozesstechnologie
kleiner als 3 μm, vorzugsweise kleiner als 2 μm.
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Integrierte
Bauteile basierend auf photonischen Kristallen lassen sich mit CMOS-Prozessen, wie
beispielsweise einem CMOS-Opto-Prozess realisieren, ohne dass zusätzliche
Prozessschritte oder weitere Bearbeitungen erforderlich sind.
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Ein
Verfahren zum Herstellen eines integrierten Sensors auf einem Substrat
umfasst gemäß Ausführungsbeispielen einen
Schritt des Erzeugens eines opto-elektronischen Bauteils 14 an
einer Substratoberfläche des Substrats und ein Aufbringen
einer Filterstruktur 12 mit wenigstens einem photonischen Kristall
auf das opto-elektronische Bauteil 14, so dass sich das
opto-elektronische Bauteil 14 in einem Feldkonzentrationsbereich
des wenigstens einen photonischen Kristalls befindet und von diesem
vollständig bedeckt wird, wobei das Erzeugen und das Aufbringen
Teile eines CMOS-Prozesses sind.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
umfasst das Aufbringen des wenigstens einen photonischen Kristalls 22 ein
Aufbringen eines Schichtstapels von dielektrischen Schichten und
Metallschichten, wobei die Metallschichten jeweils Mikrostrukturen
aufweisen, welche Abmessungen und Abstände zwischen zwei benachbarten
Mikrostrukturen aufweisen, die eine Über tragung elektromagnetischer
Strahlung des vordefinierten Wellenlängenbereichs durch
den wenigstens einen photonischen Kristall 22 erlauben.
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Ein
Zwischenprodukt eines integrierten Sensors gemäß Ausführungsbeispielen
ist schematisch in 2 gezeigt.
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Der
in 2 gezeigte, noch nicht fertig hergestellte, integrierte
Sensor umfasst ein Substrat 30, insbesondere ein Halbleitersubstrat,
indem ein opto-elektronisches Bauteil 14 eingebracht ist.
Dabei ist das opto-elektronische Bauteil 14 in einer Ebene 32 angeordnet,
die den Feldkonzentrationsbereich (eine Art Brennebene, die man
aus der klassischen Optik kennt) der Filterstruktur 12 bzw.
des Arrays 24 aus photonischen Kristallen 22 umfasst.
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Die
nicht fertiggestellte optische Struktur in 2 weist
einen Schichtstapel aus metallischen Schichten 34 und dielektrischen
Schichten 36 auf. 2 zeigt
lediglich exemplarisch vier metallische Schichten 34-1 bis 34-4 und
drei dielektrische Schichten 36-1 bis 36-3. Je
nach Ausführungsform kann die Schichtanzahl von dem in 2 gezeigten Beispiel
abweichen.
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Bei
aktuellen CMOS-Prozessen besteht die Möglichkeit, die Metallschichten 34-1 bis 34-4 so
zu strukturieren, dass daraus resultierende Mikrostrukturen bzw.
Mikroelemente periodisch angeordnet sind und Abmessungen und Abstände
aufweisen, die in der Größenordnung von Wellenlängen
eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs, insbesondere
eines optischen Wellenlängenbereichs, liegen. Dies ermöglicht
es, dreidimensionale periodische Strukturen mit Eigenschaften von
photonischen Kristallen direkt auf einem Chip zu erzeugen. Wie im
Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, sind bei Ausführungsbeispielen
die einzelnen Mikroelemente bzw. Mikrostrukturen in der Größenordnung
einer vorbestimmten optischen Wellenlänge, so dass ein
dreidimensionaler photonischer Kristall entsteht.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
wird das opto-elektronische Bauteil 14 vorzugsweise sehr
nahe an der letzten Metallschicht 34-1 der Struktur platziert,
wobei der Abstand d abhängig vom Herstellungsprozess ist.
Der Abstand des Feldkonzentrationsbereichs von der letzten Metallschicht 34-1 der Filterstruktur 12 kann
durch Abmessungen und Abstände von Strukturierungen der
Metallschichten 34 eingestellt werden. Für einen
integrierten optischen Sensor wird der Abstand d daher kleiner als
20 μm und bevorzugt kleiner als 8 μm gewählt.
Bei 0,18 μm CMOS-Prozessen ist der Abstand zwischen dem
opto-elektronischen Bauteil 14 und der Filterstruktur 12 bzw.
der letzten Metallschicht 34-1 kleiner als 2 μm.
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Die
in 2 exemplarisch gezeigten Metallschichten 34-1 bis 34-4 werden
in einem CMOS-Prozess geeignet strukturiert, um einen photonischen Kristall
mit einer guten optischen Filterwirkung und evtl. sogleich fokussierender
Wirkung zu erhalten, so dass keine zusätzliche Farbfilterbeschichtung
benötigt wird.
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Ein
Bauteil 10 gemäß Ausführungsbeispielen
kann also realisiert werden, indem man die vorhandenen metallischen 34 und
dielektrischen Schichten 36 ausnutzt. Bei Ausführungsbeispielen
ist das opto-elektronische Bauteil 14 das einzige opto-elektronische
Bauteil 14, insbesondere eine Photodiode, eines integrierten
Bauelements. Dabei überlappt das opto-elektronische Bauteil 14 lateral
mit der Filterstruktur und ist individuell ansteuerbar. Das opto-elektronische
Bauteil 14 ist gemäß Ausführungsbeispielen
vorzugsweise von den strukturierten Metallschichten 34 vollständig
abgedeckt.
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3a zeigt
eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts eines integrierten
Bauteils 40 mit einem photonischen Kristall 22 und
einem opto-elektronischen Bauteil 14.
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Der
in 3a gezeigte photonische Kristall 22 umfasst
periodisch angeordnete strukturierte Metallschichten 44-2 bis 44-4 in
einem dielektrischen Medium 46, wie z. B. SiO2 (Siliziumdioxid).
Die strukturierten Metallschichten 44 weisen Mikroelemente 48 mit
Mikroöffnungen auf, so wie es in der Seitenansicht des
integrierten Bauteils 40 in 3a angedeutet
ist. Die geometrische Form dieser Mikroelemente 48 bzw.
Mikroöffnungen kann vielfältig ausgestaltet sein
und hängt von den gewünschten elektromagnetischen
Eigenschaften des photonischen Kristalls 22 ab. Möglich
sind beispielsweise kreisförmige Mikroöffnungen,
deren Abmessungen und Abstände zueinander in der Größenordnung
einer Wellenlänge des vorbestimmten Wellenlängenbereichs
sind. Ein Abstand 1 zwischen benachbarten strukturierten
Metallschichten 44 liegt ebenfalls in der Größenordnung der
Wellenlänge des gewünschten Wellenlängenbereichs.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
weisen die strukturierten Metallschichten 44-2 bis 44-4 des
Bauteils 40, das für einen vorbestimmten Wellenlängenbereich
bzw. eine Farbe selektiv ist, Mikroelemente 48 auf, deren
Abstände und Abmessungen eine Größenordnung
aufweisen, um beispielsweise an einer dem opto-elektronischen Bauteil 14 zugewandten Seite
des photonischen Kristalls 22 eine spektrale Selektion
und Konzentration des vordefinierten Wellenlängenbereichs
zu bewirken. Die Abmessungen und Abstände der Mikroelemente 48 weisen
gemäß Ausführungsbeispielen eine Größenordnung
auf, welche in einem vordefinierten Bereich, z. B. unterhalb, um
die gewünschte Wellenlänge λres des
vordefinierten Wellenlängenbereichs liegt. Daher werden die
Mikroelemente 48 im Nachfolgenden auch als Sub-Wellenlängen-Strukturen
bezeichnet. Für optische Wellenlängenbereiche
weisen die Sub-Wellenlängen-Strukturen Abmessungen und
Abstände zwischen zwei benachbarten Sub-Wellenlängen-Strukturen 48 auf,
die im Bereich des vordefinierten Wellenlängenbereichs
liegen.
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5a zeigt
eine Draufsicht auf eine mögliche Ausführungsform
von den in den Metallschichten 44 realisierten Sub-Wellenlängen-Strukturen 48.
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5a kann
als eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer strukturierten Metallschicht 44 des integrierten
Bauteils 40 gesehen werden. In eine Metallschicht sind
Sub-Wellenlängen-Elemente 48 angebracht. Dabei
zeigt 5a exemplarisch einen Ausschnitt
mit in einer 3×3-Matrix angeordneten Sub-Wellenlängen-Elementen 48,
welche eine sogenannte Split-Ring-Resonator-Struktur aufweisen. 5a zeigt
also eine Draufsicht einer möglichen Realisierungsform
der in 3a in einer Seitenansicht gezeigten
verschiedenen Metallschichten 44 mit metallischen Sub-Wellenlängen-Strukturen 48. Die
Abmessungen der Sub-Wellenlängen-Strukturen 48 sind
dabei vergleichbar oder kleiner als die Wellenlänge λres des vordefinierten Wellenlängenbereichs.
Gemäß Ausführungsbeispielen liegen die
Abmessungen der Sub-Wellenlängen-Strukturen 48 in einem
Bereich von beispielsweise 0.3 λres bis
3λres Ändert man das Verhältnis
der Radien eines äußeren und eines inneren Kreises
eines in 5a gezeigten Split-Ring-Resonators 48,
so verändert sich die entsprechende Resonator-Wellenlänge.
Es sei hervorzuheben, dass auch andere Sub-Wellenlängen-Strukturen,
wie beispielsweise sogenannte LC-Loaded-Transmission Lines, möglich
sind, wobei wichtig ist, dass eine spektral selektive Transmission erzielt
werden sollte.
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4a zeigt
einen Ausschnitt eines integriertes Bauteil 50 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Zusätzlich
zu den anhand von 3a beschriebenen strukturierten
Metallschichten weist das in 4a dargestellte
integrierte Sensorelement 50 zusätzlich eine Metallschicht 44-1 zwischen
dem mittels der Schichten 44-2 bis 44-4 ge bildeten
photonischen Kristall 22 und dem optoelektronischen Bauteil 14 auf,
welche eine Öffnung 52 aufweist. Dabei ist das
opto-elektronische Bauteil 14 in einem Abstand d von der
untersten Metallschicht 44-2 des photonischen Kristalls
beabstandet. Für einen integrierten optischen Sensor wird
der Abstand d kleiner als 20 μm und bevorzugt kleiner als
8 μm gewählt. Bei 0,18 μm CMOS-Prozessen
ist der Abstand d zwischen dem optoelektronischen Bauteil 14 und
untersten Metallschicht 44-2 des photonischen Kristalls
kleiner als 2 μm. Auch hier sind die Sub-Wellenlängen-Elemente 48 der
verschiedenen Metallschichten 44-2 bis 44-4, genau
wie bei dem in 3a gezeigten Ausführungsbeispiel,
jeweils exakt untereinander platziert. Ein derartiger dreidimensionaler
Aufbau strukturierten Metallschichten 44-2 bis 44-4 bildet
ein als Linse wirkenden photonischen Kristall. In der untersten,
das heißt, dem opto-elektronischen Bauteil 14 am
nächstliegenden Metallschicht 44-1, befindet sich
eine Öffnung 52, so dass das Zentrum der Öffnung 52 und
eine Symmetrieachse 54 des photonischen Kristalls zusammenfallen.
Die aus dem photonischen Kristall 22 bestehende Filterstruktur
und die Öffnung 52 befinden sich somit idealerweise
auf einer gemeinsamen optischen Achse 54. Dieser Zusammenhang
ist zur Veranschaulichung noch einmal in einer Draufsicht auf das
Bauteil 50 in 5b gezeigt.
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Die
Symmetrieachse 54 des photonischen Kristalls 22 bzw.
des Bauteils 50 fällt zumindest näherungsweise
mit dem Mittelpunkt der Öffnung 52 zusammen. Unterhalb
der Öffnung 52 in einem Abstand kleiner als d
befindet sich eine optisch aktive Oberfläche des opto-elektronischen
Bauteils 14, welches eine Photo- bzw. Leuchtdiode sein
kann.
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Die
im Vorhergehenden beschriebene Filterstruktur 12 bzw. der
wenigstens eine photonische Kristall 22 weist für
eine bestimmte Resonanzwellenlänge λres bzw.
für einen vorbestimmten Resonanzwellenlängenbereich
eine fokussierende Wirkung auf. Das heißt, das sich beim
Auftreffen von elekt romagnetischer Strahlung auf den photonischen Kristall 22 lediglich
die Resonanzwellenlänge bzw. der Resonanzwellenlängenbereich
ungehindert durch diesen ausbreiten kann. Durch die fokussierende
Wirkung des photonischen Kristalls 22 bildet sich ein Feldkonzentrationsbereich,
in dem für die Resonanzwellenlänge λres bzw. den Resonanzwellenbereich eine erhöhte
elektromagnetische Feldkonzentration vorherrscht. Wellenlängen
außerhalb des vordefinierten Wellenlängenbereichs
werden von dem photonischen Kristall 22 erst gar nicht
durchgelassen bzw. sehr stark gedämpft.
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Wird
kollimiertes Licht verwendet, kann die Filterstruktur 12 mit
dem Array 24 photonischer Kristalle 22 derart
ausgebildet werden, dass sie keine nennenswerte Fokussierwirkung
aufweist. D. h. die Subwellenlängenstrukturen 48 werden
derart dimensioniert, dass der Feldkonzentrationsbereich quasi im
Unendlichen liegt.
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Bei
dem im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen
liegt der Feldkonzentrationsbereich eines photonischen Kristalls 22 in
der Nähe der Symmetrieachse 54. Wird das opto-elektronische Bauteil 14 in
der Nähe dieses Feldkonzentrationsbereichs bzw. in diesem
Feldkonzentrationsbereich angeordnet, so kann von dem opto-elektronischen
Bauteil 14 bei Ausführungsbeispielen die Feldkonzentration
der Resonanzwellenlänge λres bzw.
des Resonanzwellenbereichs detektiert werden.
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Durch
die Metallschicht 44-1 mit der Öffnung 52 zwischen
dem photonischen Kristall 12 und der Photodiode 14 kann
eine spektrale Selektivität nochmals erhöht werden.
Dieser Zusammenhang ist in 6 gezeigt.
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Der Übersichtlichkeit
halber zeigt 6 lediglich ein opto-elektronisches
Bauteil 14 in Form einer Photodiode 14, welche
hinter bzw. unter der Metallschicht 44-1 mit der Öffnung 52 angeordnet
ist. Der photonische Kristall 22, der vor bzw. über
der Metallschicht 44-1 angeordnet ist, ist der Übersichtlichkeit
halber nicht gezeigt.
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Wie
im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, bildet sich bei Ausführungsbeispielen
durch die fokussierende Wirkung des photonischen Kristalls 22 in
der Nähe der Metallschicht 44-1, die der Photodiode 14 am
nächsten liegt, für eine bestimmte Resonanzwellenlänge λres eine Feldkonzentration aus, nicht aber
für andere Wellenlängen. Das bedeutet, dass nur
die elektromagnetische Strahlung der gewünschten bzw. durch
die dreidimensionale periodische Struktur des photonischen Kristalls
eingestellten Wellenlänge λres zumindest
nahezu verlustfrei auf die Photodiode 14 treffen kann,
während andere Wellenlängen durch den photonischen
Kristall ausgefiltert werden. D. h. der Feldkonzentrationsbereich
des photonischen Kristalls 22 ist wellenlängenabhängig.
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Durch
die Öffnung 52 in der Metallschicht 44-1 kann
die spektrale Trennung deutlich verbessert werden, so dass eine
optische Kopplung zwischen der Filterstruktur und dem opto-elektonischen
Bauteil 14 auf einen Filterwellenlängentransmissionsbereich begrenzt
ist. In 6 sind exemplarisch drei elektromagnetische
Feldverteilungen 60, 62, 64 für
drei unterschiedliche Wellenlängen in der Nähe
der Photodiode 14 eingezeichnet. Für die Resonanzwellenlänge λres, die im Filterwellenlängentransmissionsbereich liegt,
ist die Feldverteilung 60 am stärksten ausgebildet,
d. h. die ganze Energie kann die Öffnung 52 passieren,
während für die anderen Wellenlängen 62, 64 nur
ein kleiner Anteil die Photodiode 14 erreicht.
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Der
photonische Kristall 22 in Form der Sub-Wellenlängen-Strukturen
der oberen Metallschichten 44-2 bis 44-4 (nicht
gezeigt) bewirkt zusammen mit der Öffnung 52 in
der unteren Metallschicht 44-1, dass nur die vorbestimmte
Wellenlänge λres bzw.
ein vorbestimmter Wellenlängenbereich die Photodiode 14 erreicht.
Dazu befindet sich vorzugsweise das Zentrum der Öffnung 52 und
das Zentrum der Sub-Wellenlängen- Strukturen 48 des
photonischen Kristalls auf der Symmetrieachse 54 des photonischen
Kristalls 22. Anders ausgedrückt, liegen das Zentrum
der Öffnung 52 und das Zentrum der Sub-Wellenlängen-Strukturen 48 des
photonischen Kristalls 22 übereinander, so dass
die Sub-Wellenlängen-Strukturen und die Öffnung 52 eine
gemeinsame optische Achse 54 aufweisen. Um eine Resonanz
für andere Spektralbereiche zu erzielen, muss eine andere,
geeignete Form für die Sub-Wellenlängen-Strukturen
und ggf. die Öffnung 52 gewählt werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist die Öffnung 52 einen
Durchmesser von ca. 1 μm auf.
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An
dieser Stelle soll noch einmal erwähnt werden, dass die
Metallschicht 44-1 mit der Öffnung 52 nicht
zwingend notwendig ist, um eine integrierte Bauteil gemäß Ausführungsbeispielen
herzustellen. Jedoch umfassen bevorzugte Ausführungsformen die
unterste Metallschicht 44-1 mit der Öffnung 52,
da durch die sie die spektrale Selektivität der Anordnung verbessert
werden kann.
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Eine
weitere Möglichkeit des Schichtaufbaus der strukturierten
Metallschichten 44 besteht darin, statt der Lochöffnung 52 der
untersten Metallschicht 44-1 eine periodische Struktur
aus den gleichen oder anderen Mikroelementen 48, wie in
den darüber liegenden Metallschichten 44-2 bis 44-4 auszubilden, wobei
die Mikroelemente der untersten Metallschicht 44-1 aber
zu denen der darüber liegenden Metallschichten lateral
verschoben sind (gebrochene Symmetrie).
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Wie
im Vorhergehenden bereits erwähnt wurde, können
die Mikroelemente 48 eine Vielzahl von Formen annehmen.
Es sind also beispielsweise die beschriebenen sogenannten Split-Ring-Resonatoren
möglich. Andere Formen sind aber ebenfalls denkbar. Die
Mikroelemente 48 haben eine eigene Filterwirkung, die eine
Transmission von elektromagnetischer Strahlung des photonischen
Kristalls stark beeinflusst. Durch CMOS-Prozesse können
nicht nur zweidimensionale, d. h. pla nare, sondern auch dreidimensionale
Sub-Wellenlängen-Elemente 48 erzeugt werden. Dazu
zeigt 7 schematisch ein Beispiel.
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7 zeigt
drei strukturierte Metallschichten 74-2 bis 74-4 mit
planaren Strukturen 70 und vertikalen Durchkontaktierungen 72 zwischen
den strukturierten Metallschichten 74. Hier umfassen die
einzelnen Sub-Wellenlängen-Elemente also planare Strukturen 70 und
vertikale Strukturen 72, die zusammen dreidimensionale
Sub-Wellenlängen-Elemente bilden. Die Durchkontaktierungen 72 stehen
in Rahmen von herkömmlichen CMOS-Prozessen zur Verfügung.
Diese dreidimensionalen Strukturen erlauben mehr Optimierungsmöglichkeiten
hinsichtlich der spektralen Selektivität und der Fokussierung
von elektromagnetischer Strahlung als zweidimensionale, d. h. planare
Strukturen.
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Lediglich
exemplarisch wurde im Vorhergehenden der Aufbau von integrierten
Bauelementen 10, 40, 50 anhand eines
Ausschnitts mit nur einem photonischen Kristall 22 beschrieben.
Die Abmessungen des Arrays 24 von photonischen Kristallen 22 sind
bei Ausführungsbeispielen derart gewählt, dass der
die Filterstruktur 12 bzw. der Array 24 aus photonischen
Kristallen 22 eine ihm bzw. der Filterstruktur 12 zugewandte
Oberfläche des opto-elektronischen Bauteils 14 vollständig
abdeckt. Dazu wird ein Array 24 aus mehreren gleichartigen,
d. h. auf die gleiche Wellenlänge λres eingestellten,
photonischen Kristallen 22 in einen Ebene über
einer Photodiode platziert, um eine Photodiode vollständig
abzudecken. Ein einzelner photonischer Kristall 22 kann
bei dieser Anordnung als ein Arrayelement oder photonischer Sub-Kristall
betrachtet werden. Im Fall einer untersten Metallschicht mit Öffnungen 52 liegen
die Öffnungen 52 und die jeweiligen Zentren der
Sub-Wellenlängen-Strukturen der Arrayelemente auf einer
gemeinsamen optischen Symmetrieachse 54 der Arrayelemente,
so wie es im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde.
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Mittels
der im Vorhergehenden beschriebenen integrierten Bauteile 10, 40, 50 lassen
sich gemäß Ausführungsbeispielen Farbsensoren
bzw. ganze Farbsensorarrays aufbauen. Werden beispielsweise integrierte
Bauelemente als Sensorelemente, welche jeweils für unterschiedliche
Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche selektiv
sind, in einer Ebene nebeneinander angeordnet, so kann ein integrierter
Farbsensor aufgebaut werden.
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Für
einen RGB-Farbsensor können beispielsweise für
einen Bildpunkt drei integrierte Sensorelemente verwendet werden,
wobei ein erstes ausgebildet ist, um auf Wellenlängen aus
dem roten Spektralbereich anzusprechen, ein zweites ausgebildet
ist, um auf Wellenlängen aus dem grünen Spektralbereich
anzusprechen und ein drittes ausgebildet ist, um auf Wellenlängen
aus dem blauen Spektralbereich anzusprechen. Das heißt,
ein integrierter Farbsensor gemäß Ausführungsbeispielen
umfasst eine Mehrzahl von integrierten Bauteilen mit Filterstrukturen
mit wenigstens einem photonischen Kristall und Pixelsensoren bzw.
Fotodioden, wie sie im Vorhergehenden beschrieben wurden, wobei
die Filterstrukturen von unterschiedlichen der Mehrzahl der integrierten
Bauteile ausgebildet sind, um ansprechend auf elektromagnetische
Strahlung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche jeweils
an einer dem entsprechenden Pixelsensor zugewandten Seite der Filterstruktur
eine elektromagnetische Feldkonzentration in der Nähe des
jeweiligen Pixelsensors zu erzeugen, für die der jeweilige
Pixelsensor empfindlich ist.
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Ausführungsbeispiele
für integrierte Farbsensoren mit einer Mehrzahl von integrierten
Sensorelementen sind exemplarisch in den 3b und 4b gezeigt.
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3b zeigt
eine Seitenansicht von drei benachbart integrierten Bauteilen 40-1 bis 40-3,
die jeweils für sich eine Struktur aufweisen, wie sie im
Vorhergehenden bereits anhand von 3a beschrieben
wurde. Dabei ist bei dem in
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3b dargestellten
Farbsensor 80 zu bemerken, dass die Mikroelemente 48-1 bis 48-3 der photonischen
Kristalle 22-1 bis 22-3 der drei benachbarten
Sensorelemente 40-1 bis 40-3 jeweils auf unterschiedliche
Wellenlängen bzw. unterschiedliche Wellenlängenbereiche
eingestellt sein können, wie z. B. auf Rot, Grün
und Blau.
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4b zeigt
einen integrierten Farbsensorarray mit drei benachbart integrierten
Sensorelementen 50-1 bis 50-3, wie sie bereits
anhand von 4a ausführlich beschrieben
wurden. Auch hier sind die Mikroelemente 48-1 bis 48-3 der
photonischen Kristalle 22-1 bis 22-3 der jeweiligen
ausgebildet, um jeweils unterschiedliche Wellenlängen (z.
B. Rot, Grün, Blau) zu den jeweiligen Photodioden 14 passieren
zu lassen.
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Die
in 3b und 4b exemplarisch
gezeigten Farbsensoren können beispielsweise als Farbsensoren
für einzelne Pixel eines Bildsensors verwendet werden.
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Zusammenfassend
umfasst die vorliegende Erfindung also ein integriertes Bauteil,
welches als Sensorelement bzw. Farbsensor und/oder als Strahlungsquelle
für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs
eingesetzt werden kann. Das integrierte Bauteil kann im Rahmen von
herkömmlichen CMOS-Prozessen hergestellt werden.
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Die
Farbe eines Objekts ist ein guter Indikator zur Qualitätskontrolle
bei verschiedenen Fertigungsprozessen. Ein großes Anwendungsfeld
für die vorliegende Erfindung sind beispielsweise Farbfilter, die
direkt in einem Pixel eines Bildsensors integriert sind. Mikrobildsensoren
mit einem bestimmten Filtereffekt (z. B. Nachbildung der Farbempfindlichkeit
des Auges) sind ebenfalls interessante Anwendungsmöglichkeiten.
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Mit
Hilfe von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
besteht die Möglichkeit, im Rahmen eines CMOS- Prozesses
eine Photodiodenzeile zu realisieren, so dass für jede
einzelne Photodiode ein entsprechender schmalbandiger Filter für
einen bestimmten Spektralbereich aufgebaut wird, und sich ein Effekt
wie durch ein dispersives Element (Prisma oder Gitter) in der Spektroskopie
ergibt.
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Abschließend
ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf
die jeweiligen beschriebenen Bauteile oder die erläuternden
Vorgehensweisen beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren
variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich
dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu
beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn
in der Beschreibung und in den Ansprüchen die Anzahl oder unbestimmte
Artikel verwendet werden, beziehen sich diese auch auf die Mehrzahl
dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutlich
etwas anderes deutlich macht. Dasselbe gilt in umgekehrter Richtung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6998660
B2 [0004, 0006]
- - US 7129982 B1 [0004]
- - US 7129982 [0008]