-
Technisches Anwendungsgebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Detektor für Infrarot- und/oder THz-Strahlung, der mindestens eine Antenne für die Infrarot- und/oder THz-Strahlung und eine gleichrichtende Metall-Isolator-Metall-Tunneldiode mit einer ersten metallischen Schicht, einer zweiten metallischen Schicht und einer dazwischen liegenden dielektrischen Schicht für eine Gleichrichtung eines über die Antenne empfangenen Infrarot- und/oder THz-Signals aufweist. Ein derartiger Detektor lässt sich bspw. für die Detektion von Wärmestrahlung oder für das Durchleuchten von Stoffen nutzen, die im sichtbaren Spektralbereich nicht transparent sind. So lassen sich bspw. Anwesenheitsdetektoren, Nachtsichtgeräte oder Geräte zur Lebensmittelüberwachung mit einem oder mehreren der Detektoren realisieren. Diese Aufzählung ist selbstverständlich nicht abschließend.
-
Stand der Technik
-
Zur Detektion langwelliger Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) mit einer Wellenlänge von ca. 2 μm bis 15 μm werden üblicherweise thermische Detektoren oder Quantendetektoren aus speziellen Materialien wie z. B. HgCdTe eingesetzt. Durch diese speziellen Materialien sind die Detektoren relativ teuer und werden bisher kaum in großen Stückzahlen hergestellt. Auch eine Integration in einem Silizium-Prozess, z. B. in einem CMOS-Prozess, ist sehr schwierig, weil Si im betrachteten Spektralbereich transparent ist und keine pn-Übergänge als Detektoren verwendet werden können.
-
Zur Realisierung von Infrarot- oder THz-Detektoren in Silizium ist es bekannt, eine optische Antenne mit einem konzentrierten Detektor zu kombinieren. Als Detektor kann hierzu bspw. ein Bolometer eingesetzt werden. Auch Kombinationen einer Antenne für die Infrarot- oder THz-Strahlung mit einer gleichrichtenden Metall-Isolator-Metall-Tunneldiode sind bekannt. Für die Tunneldiode wird eine Metall-Isolator-Metall (MIM) Schichtkombination aus zwei metallischen Schichten mit einer sehr dünnen zwischenliegenden Isolatorschicht verwendet, in der dann über den Tunneleffekt ein nichtlinearer Effekt auftritt, der zur Detektion verwendet werden kann. Die über die Antenne empfangenen Signale werden durch die Tunneldiode gleichgerichtet und als Detektorstrom nachgewiesen. Diese Kombination aus Antenne und gleichrichtender Diode ist auch unter dem Begriff Rectenna bekannt. Die Diode befindet sich dabei im Speisungspunkt der Antenne. Ein Nachteil eines derart aufgebauten Detektors besteht darin, dass die MIM-Schichtkombination einen Kondensator darstellt, der ab einer bestimmten Größe für die THz-Strahlung wie ein Kurzschluss wirkt. Durch Zusammenwirken dieses Kondensators und des Innenwiderstandes der Antenne ergibt sich eine RC-bedingte obere Grenzfrequenz, oberhalb derer der Detektionseffekt nur noch sehr schwach ausgeprägt ist. Zudem besteht nur eine schlechte Anpassung des Strahlungswiderstands der Antenne (ca. 100 bis 200 Ω) an den Innenwiderstand der MIM-Tunneldiode (einige kΩ). Zur Verringerung dieser Problematik können die Abmessungen der MIM-Elemente sehr klein mit Kantenlängen von 75 nm bis maximal 1 μm gehalten werden. Dies stellt allerdings hohe Anforderungen an die Technologie, so dass eine derartige Lösung bisher nicht in einem Standard-CMOS-Prozess realisiert wurde.
-
S. Grover et al., „Traveling-Wave Metal/Insulator/Metal Diodes for Improved Infrared Bandwidth and Efficiency of Antenna-Coupled Rectifiers”, IEEE Transactions an Nanotechnology, Vol. 9, No. 6, November 2010, Seiten 716 bis 722, beschreiben einen Detektor auf Basis einer MIM-Tunneldiode, bei dem anstatt einer MIM-Platte als konzentriertes Element ein Wellenleiter verwendet wird, der aus dem gleichen Schichtaufbau besteht. Dabei wird der Kapazitätsbelag teilweise durch den dann vorhandenen Induktivitätsbelag kompensiert, und es entsteht ein Wellenleiter mit einem Wellenwiderstand, der an den Innenwiderstand der Antenne angepasst werden kann. In dieser Veröffentlichung wurde allerdings lediglich die Performance eines derartigen Detektors berechnet, der Detektor jedoch nicht realisiert. Der Grund liegt möglicherweise darin, dass der vorgeschlagene Wellenleiter eine Breite von deutlich kleiner als der Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung aufweisen müsste, damit die Wellenleitung effektiv ist. Bei einer Freiraum-Wellenlänge von 10 µm und einer Wellenlänge von 5 µm in einem Dielektrikum wie SiO2, wie es häufig eingesetzt wird, werden dann Abmessungen erhalten, die auch in modernen CMOS-Prozessen für MIM-Strukturen nicht zugelassen sind, d. h. die Designregeln des CMOS-Prozesses verletzen.
-
C. Fumeaux, W. Herrmann, F. K. Kneubuhl, H. Rothuizen: „Nanometer thin-film Ni-NiO-Ni diodes for detection and mixing of 30 THz radiation”, Infrared Physics & Technology, Vol. 39, pp. 123–183 (1998), beschreiben MIM-Tunneldioden im Kreuzungspunkt zweier Antennenarme.
-
WO 2010/144127 A2 offenbart einen Detektor für THz- und Infrarotstrahlung, bei dem eine hohe Grenzfrequenz durch einen nicht-ebenen Aufbau der MIM-Tunneldiode erreicht wird.
-
US 2011/0062329 A1 zeigt einen Infrarot-Detektor, bei dem zur Gleichrichtung des mit einer Antenne empfangenen Signals MIM-Tunneldioden eingesetzt werden. Zur Verringerung der parasitären Kapazität wird eine Struktur in der oberen Metallschicht der MIM-Tunneldiode vorgeschlagen, durch die sich Kapazität und Induktivität der MIM-Struktur gegenseitig aufheben.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Detektor für Infrarot- und/oder THz-Strahlung anzugeben, der die Problematik der oberen Grenzfrequenz im THz-Bereich umgeht und dennoch in einem CMOS-Prozess hergestellt werden kann.
-
Darstellung der Erfindung
-
Die Aufgabe wird mit dem Detektor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Detektors sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
-
Der vorgeschlagene Detektor weist mindestens eine Antenne für die Infrarot- oder THz-Strahlung sowie eine gleichrichtende MIM-Tunneldiode für die Gleichrichtung des über die Antenne empfangenen Infrarot- oder THz-Signals auf. Die MIM-Tunneldiode ist aus einer ersten metallischen Schicht, einer zweiten metallischen Schicht und einer dazwischen liegenden dielektrischen Schicht gebildet. Die dielektrische Schicht ist ausreichend dünn ausgebildet, damit der gewünschte Tunneleffekt, ggf. nach Anlegen einer Gleichspannung (DC) zwischen den beiden metallischen Schichten, auftritt. Die Dicke der dielektrischen Schicht liegt dabei vorzugsweise zwischen ca. 1 nm und 100 nm. So kann beispielsweise eine Schichtdicke zwischen 30 nm und 70 nm gewählt werden, die sich in einem CMOS-Prozess ohne Weiteres realisieren lässt. Bei dem vorgeschlagenen Detektor wird die erste metallische Schicht so dimensioniert, dass sie als Resonator für die zu detektierende Infrarot- oder THz-Strahlung wirkt, die beispielsweise im Bereich zwischen 2 µm und 100 µm bzw. zwischen 0,3 und 3 THz liegen kann.
-
Durch die Ausbildung der ersten metallischen Schicht als Resonator für die zu detektierende Strahlung wird die Kapazität der MIM-Schichtstruktur durch die in der ersten metallischen Schicht auftretende Resonanz kompensiert, so dass sich die oben beschriebene Problematik der Grenzfrequenz in dem Frequenzbereich der zu detektierenden Strahlung, für den der Resonator ausgebildet ist, nicht auswirkt. Auf diese Weise ist es nicht mehr erforderlich, die MIM-Elemente mit sehr geringen Abmessungen im Submikrometerbereich zu realisieren, die in einem herkömmlichen CMOS-Prozess nicht zugelassen sind. Vielmehr kann die MIM-Schichtstruktur, die die Tunneldiode bildet, ohne weiteres mit Kantenlängen von mehreren Mikrometern erzeugt werden.
-
Die Antenne für die Infrarot- und/oder THz-Strahlung ist durch die erste metallische Schicht gebildet. Diese metallische Schicht stellt daher einen strahlenden Resonator dar. In dieser Ausgestaltung werden die MIM-Schichtstruktur und die Antenne somit in einem einzigen Element miteinander kombiniert, so dass keine separate Antenne mehr erforderlich ist.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Antenne als Patch-Antenne ausgeführt. Die Patch-Antenne kann dabei bspw. eine Kantenlänge aufweisen, die im Bereich zwischen 3 und 6 µm liegt. Die zweite metallische Schicht kann grundsätzlich die gleichen lateralen Abmessungen, bspw. die gleiche Kantenlänge, oder auch größere Abmessungen als die erste metallische Schicht aufweisen. Ebenso kann die dielektrische Schicht zwischen den beiden metallischen Schichten auf die lateralen Abmessungen der ersten metallischen Schicht beschränkt sein oder darüber hinaus reichen.
-
Für die elektrische Kontaktierung der metallischen Schichten können dünne Zuführungsleitungen eingesetzt werden, über die eine meist vorhandene Modulationsfrequenz (ZF) des Infrarot- oder THz-Signals abgeführt werden kann. Die Zuführungsleitung für die Antenne sollte dabei an einer Stelle an die Antenne angeschlossen werden, an der die elektrische Feldstärke klein ist.
-
Die Antenne kann eine Länge aufweisen, die einem Vielfachen der halben Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung entspricht. Dadurch wird eine Dimensionierung möglich, die die Designregeln des Halbleiterherstellers nicht verletzt. Selbstverständlich können durch die erste metallische Schicht neben der oben genannten Patch-Antenne auch andere Formen von Antennen gebildet werden. Beispiele sind Bow-tie-Antennen oder Spiralantennen. Auch die Form einer Schlitzantenne sowie weiterer Formen ist möglich, die nach dem Babinetschen Prinzip aus der Patch-Antenne oder anderen Antennenformen abgeleitet sind.
-
Die erste metallische Schicht und die zweite metallische Schicht können aus dem gleichen Material bestehen. Unter metallischer Schicht ist hierbei eine elektrisch leitfähige, Metall enthaltende Schicht zu verstehen, die jedoch nicht aus einem reinen Metall bestehen muss. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden unterschiedliche Materialien für die erste und die zweite metallische Schicht eingesetzt. Dadurch werden die Austrittsarbeiten an der Grenzschicht Metall/Dielektrikum jeweils unterschiedlich und die Potentialfunktion der Tunneldiode wird asymmetrisch und damit günstiger zur Erzielung des nichtlinearen Effekts bei Anlegen keiner oder nur einer geringen Gleichspannung. Für die Wahl der Materialien bestehen verschiedene Möglichkeiten, wie sie auch aus dem Stand der Technik bekannt sind. So kann bspw. eine Schichtkombination einer Goldschicht als erster metallischer Schicht, einer GaSe-Schicht als dielektrischer Schicht und einer Aluminiumschicht als zweiter metallischer Schicht eingesetzt werden. Für die Fertigung in einem CMOS-Prozess werden selbstverständlich CMOS-kompatible Materialien für die einzelnen Schichten sowie die Zuleitungen gewählt.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden mehrere der vorgeschlagenen Detektoren in einem zweidimensionalen Array angeordnet. Die einzelnen Detektoren dieses Arrays können dabei so dimensioniert bzw. ausgelegt werden, dass sie insgesamt einen bestimmten Wellenlängen- bzw. Frequenzbereich abdecken. So können bspw. vier verschiedene Detektoren eingesetzt werden, um den Bereich von 6 µm bis 14 µm Wellenlänge abzudecken. Die ZF- bzw. DC-Zuführungen dieser Detektoren können miteinander verbunden werden, um insgesamt eine größere Signalamplitude zu erhalten. Falls die Einzeldetektoren nicht verbunden werden, können mit einer derartigen Arrayanordnung auch gezielt mehrere spektral bandpassartig wirkende Detektoren nebeneinander realisiert werden, die dann als spektralselektive Subpixel – ähnlich einer RGB-Bayer-Anordnung für Farbbildsensoren – eines multispektralen THz- bzw. Infrarot-Bildsensors dienen. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit können auch mehrere gleich dimensionierte Detektoren des Arrays durch eine gemeinsame Zuführungsleitung verbunden werden.
-
Der vorgeschlagene Infrarot- oder THz-Detektor lässt sich ohne Prozessmodifikation mit einem Standard-CMOS-Prozess fertigen. Die Abmessungen des Detektors müssen dabei nicht zwingend so gewählt werden, dass der Grundmode angeregt wird. Es können auch Oberwellen des Grundmodes verwendet werden. Es kann auch ein Bildsensor mit vielen Einzeldetektorelementen aufgebaut werden, der dann in großen Stückzahlen kostengünstig im CMOS-Prozess gefertigt werden kann.
-
Die vorgeschlagene Kombination von Antenne und Detektor in einem einzigen Element bzw. einer einzigen MIM-Schichtstruktur lässt sich auch mit Antennenformen realisieren, die z. B. breitbandiger sind als eine einfache Patch-Antenne. Dabei sollte das Dielektrikum zumindest unterhalb der oberen Metallisierung, d. h. der ersten metallischen Schicht, vorhanden sein. Die Fläche des Dielektrikums kann bei Bedarf auch größer sein als die der oberen metallischen Schicht.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Der vorgeschlagene Detektor wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 ein Beispiel für einen Aufbau einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Detektors in schematischer Darstellung; und
-
2 ein Beispiel für eine arrayförmige Anordnung mehrerer Detektoren in schematischer Darstellung.
-
Wege zur Ausführung der Erfindung
-
1 zeigt ein Beispiel einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Detektors in schematischer Darstellung. In dieser Ausgestaltung werden die MIM-Schichtstruktur und die Antenne in einem einzigen Element miteinander kombiniert. Dadurch wird die zwischen den metallischen Schichten der MIM-Schichtstruktur gebildete Kapazität durch die auf der Antenne auftretende Resonanz kompensiert, so dass sich innerhalb des jeweils interessierenden Wellenlängenbereiches der zu detektierenden IR- oder THz-Strahlung, für den der Resonator bzw. die Antenne ausgebildet ist, die Problematik der oberen Grenzfrequenz des Detektors nicht auswirkt. Weiterhin ist durch die Realisierung der Antenne als Teil der MIM-Schichtstruktur auch keine Anpassung zwischen Antenne und MIM-Schichtstruktur mehr erforderlich. Die Antenne ist in diesem Beispiel als metallische Patch-Antenne durch die obere Metallschicht 1 über einer metallischen Grundplatte als untere Metallschicht 2 angeordnet. Die Antenne wird durch entsprechende Dimensionierung der oberen Metallschicht 1 realisiert. Dem Fachmann sind die geeignete Dimensionierungen einer Patch-Antenne für den THz-Frequenzbereich aus der Antennentheorie bekannt.
-
Das zwischen den beiden Metallschichten 1, 2 liegende Dielektrikum 3 wird sehr dünn gewählt, so dass in dieser Schicht – ggf. nach Anlegen eines externen DC-Feldes – der nichtlineare Tunneleffekt auftritt. Unterhalb der oberen Metallschicht 1 bilden sich bei Empfang der zu detektierenden Strahlung im Dielektrikum 3 unter anderem starke elektrische Felder aus, die dazu führen, dass Ladungsträger durch diese Isolationsschicht tunneln können. Dadurch wirkt die Antenne gleichzeitig wie ein Detektor. Zum elektrischen Anschließen der Metallschichten wird für die obere Metallschicht 1 eine möglichst dünne Zuführungsleitung 4 verwendet, um die Feldausbreitung der THz-Strahlung möglichst wenig zu stören. Über diese Zuführungsleitung kann sowohl eine Vorspannung (DC) angelegt als auch eine eventuell vorhandene Modulationsfrequenz (ZF) des IR- oder THz-Signals abgeführt werden. Die Zuführungsleitung 4 ist hier in der Mitte der rechteckigen Patch-Antenne angeschlossen, d. h. an einer Stelle, an der die elektrische Feldstärke des empfangenen THz-Signals klein ist. Die in der Figur nicht dargestellte Zuführungsleitung für die untere Metallschicht kann identisch oder auch breiter ausgeführt sein.
-
In einer beispielhaften Realisierung eines erfindungsgemäßen THz-Detektors ist die obere Metallschicht 1 in quadratischer Form mit einer Kantenlänge von ca. 4 bis 5 µm ausgebildet. Das Dielektrikum 3 weist in dieser Realisierung die gleichen Abmessungen auf, kann jedoch auch seitlich über die obere Metallschicht 1 überstehen. Für die untere Metallschicht 2 bzw. metallische Platte wird in diesem Beispiel eine Kantenlänge von ca. 10 µm gewählt. Die Breite des ersten Teils der Zuleitung 4 zur oberen Metallschicht 1 bzw. Antenne kann bspw. 1 µm, der Durchmesser der senkrechten Zuführung ca. 0,36 µm betragen. In der beispielhaften Realisierung mit CMOS-kompatiblen Materialien sind die obere Metallschicht aus TiN und die untere Metallschicht sowie die Zuleitungen aus Aluminium gebildet. Das Dielektrikum besteht in diesem Beispiel aus Si3N4. Die Nutzung von TiN bietet den Vorteil, dass dieses Material eine relativ gute elektrische Leitfähigkeit aufweist und im CMOS-Prozess gut strukturiert werden kann. Selbstverständlich ist der vorgeschlagene Detektor jedoch nicht auf die obigen Materialien und Dimensionen beschränkt.
-
Mehrere der Detektoren können auch in einem zweidimensionalen Array nebeneinander angeordnet werden, wie dies beispielhaft in 2 mit den vier Detektoren 5–8 angedeutet ist. Bei einem derartigen Array können die einzelnen Detektoren unterschiedlich dimensioniert bzw. ausgelegt sein, d. h. ihre maximale Detektionsempfindlichkeit bei unterschiedlichen Wellenlängen bzw. Frequenzen aufweisen. In dem Beispiel der 2 kann beispielsweise der erste Detektor 5 so dimensioniert sein, dass er auf einen Wellenlängenbereich von 6–8 µm abgestimmt ist. Der zweite Detektor 6 kann dann auf einen Wellenlängenbereich von 8–10 µm, der dritte Detektor 7 auf einen Wellenlängenbereich von 10–12 µm und der vierte Detektor 8 auf einen Wellenlängenbereich von 12–14 µm abgestimmt sein. Damit lässt sich bei Zusammenschaltung der Detektoren ein breitbandiger Detektor realisieren, mit dem ein Wellenlängenbereich von 6–14 µm abgedeckt ist. Selbstverständlich ist eine derartige Anordnung nicht auf vier Detektoren und die beispielhaft angegebenen Wellenlängenbereiche beschränkt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- obere Metallschicht
- 2
- untere Metallschicht
- 3
- Dielektrikum
- 4
- Zuführungsleitung
- 5
- erster Detektor
- 6
- zweiter Detektor
- 7
- dritter Detektor
- 8
- vierter Detektor
