DE102013108288B4 - Strahlungsabsorber - Google Patents

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Abstract

Strahlungsabsorber mit einem Substrat (1), das Silizium oder eine Siliziumverbindung enthält, wobei- das Substrat (1) eine Oberflächenstruktur (3) aufweist, die einer Strahlungseintrittsfläche (5) des Strahlungsabsorbers (10) zugewandt ist und sich mindestens bis in eine Tiefe von 100 nm in das Substrat (1) hinein erstreckt,- das Substrat (1) mit einem Dotierstoff dotiert ist, wobei die Dotierstoffkonzentration in dem Substrat (1) mindestens 1 × 10beträgt,- an einer der Strahlungseintrittsfläche (5) gegenüberliegenden Rückseite (6) des Substrats (1) eine strahlungsabsorbierende Schicht (7) angeordnet ist, und- das Substrat (1) an der Rückseite (6) eine weitere Oberflächenstruktur (8) aufweist, die sich mindestens bis in eine Tiefe von 100 nm in das Substrat (1) hinein erstreckt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Strahlungsabsorber mit einem Substrat, das Silizium oder eine Siliziumverbindung enthält.
  • Hocheffiziente Strahlungsabsorber besitzen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in Technologiefeldern wie beispielsweise der Solarthermie, der optischen Spektroskopie oder der fotothermischen Lichtsensorik. Für viele dieser Anwendungen ist ein hoher Absorptionsgrad von möglichst nahezu 100 % und ein möglichst breitbandiges Absorptionsvermögen von besonderer Wichtigkeit.
  • Die Druckschrift US 5,079,643 A beschreibt die Herstellung von hochabsorbierenden ultra-schwarzen Nickelphosphor-Schichten, welche mittels stromloser Nassmetallisierung und anschließendem Nassätzen auf Metallfolien oder Metallplatten hergestellt werden. Dieses Herstellungsverfahren ist allerdings vergleichsweise aufwändig.
  • Die Druckschrift US 2009/0126783 A1 beschreibt einen Strahlungsabsorber aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, mit dem sehr hohe Absorptionsgrade erreicht werden können. Die Herstellung eines solchen Absorbers ist allerdings sehr aufwändig und mit hohen Kosten verbunden.
  • Aus der Druckschrift M. Pu et al., „Engineering heavily doped silicon for broadband absorber in the terahertz regime", Optics Express, Vol. 20 (23), 2012, S. 25513 - 25519, ist ein Breitband-Strahlungsabsorber für den Terahertz-Bereich bekannt.
  • Die Druckschrift S. Koynov et al., „Black nonreflecting silicon surfaces for solar cells", Applied Physics Letters, Vol. 88, 2006, S. 203107-1 - 203107-3, beschreibt ein nasschemisches Verfahren zur Herstellung von nanostrukturierten Silizium-Oberflächen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungsabsorber anzugeben, der sich durch eine hohe Absorption über einen breiten Spektralbereich auszeichnet und mit vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand hergestellt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Strahlungsabsorber gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Der Strahlungsabsorber enthält ein Substrat, das Silizium oder eine Siliziumverbindung enthält. Bevorzugt ist das Substrat ein Siliziumsubstrat. Alternativ kann das Substrat aus einer Siliziumverbindung wie beispielsweise SiC oder SixGe1-x bestehen.
  • Das Substrat weist eine Oberflächenstruktur auf, die einer Strahlungseintrittsfläche des Strahlungsabsorbers zugewandt ist und sich mindestens bis in eine Tiefe von 100 nm in das Substrat hinein erstreckt.
  • Die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats ist vorzugsweise eine stochastische Struktur, das heißt eine Struktur, die statistisch verteilte Erhebungen und Vertiefungen aufweist. Eine stochastische Oberflächenstruktur kann beispielsweise mit vorteilhaft geringem Herstellungsaufwand durch einen Plasmaätzprozess erzeugt werden. Bei diesem Herstellungsverfahren ist es vorteilhaft nicht notwendig, eine Maskenschicht auf die Oberfläche aufzubringen und zu strukturieren. Mit anderen Worten wird die Oberflächenstruktur vorzugsweise mit einem maskenfreien Verfahren hergestellt.
  • Alternativ ist es auch möglich, dass die Oberflächenstruktur eine deterministische Struktur ist, das heißt eine Oberflächenstruktur, bei der die Strukturelemente gezielt eingestellte Formen und Größen aufweist. Eine solche deterministische Struktur kann beispielsweise durch ein Lithografieverfahren hergestellt werden.
  • Die mindestens 100 nm tiefe Oberflächenstruktur an der Strahlungseintrittsfläche des Substrats hat den Vorteil, dass sie die Reflexion der einfallenden Strahlung an der Grenzfläche zwischen der Umgebungsluft und dem Substratmaterial erheblich vermindert. Dies hat den Vorteil, dass ein größerer Anteil der Strahlung in dem Strahlungsabsorber absorbiert werden kann.
  • Das Substrat des Strahlungsabsorbers ist mit einem Dotierstoff dotiert. Im Vergleich zu einem undotierten Siliziumsubstrat hat dies den Vorteil, dass sich die Absorption erhöht und sich das Absorptionsspektrum insbesondere zu größeren Wellenlängen hin ausdehnt. In reinem Silizium nimmt die Absorption dagegen ab einer Wellenlänge λ von circa 1100 nm stark ab und ist für Wellenlängen λ > 1200 nm vernachlässigbar gering.
  • Durch die Dotierung des Substrats wird abhängig von der Temperatur des Materials eine hohe Dichte frei beweglicher Ladungsträger durch Störstellenionisierung erzeugt. Bei extrem hoher Dotierung kann sogar Entartung auftreten, so dass selbst bei niedriger Temperatur freie Ladungsträger vorhanden sind. Die freien Ladungsträger im Silizium enthaltenden Substrat verhalten sich bei Strahlungseinfall prinzipiell wie freie Ladungsträger in Metallen und liefern einen zusätzlichen Anteil zur Permittivität des Mediums sowie einen damit verbundenen weiteren Absorptionsmechanismus. Dadurch ist es möglich, die Absorption eines siliziumhaltigen Substrats über Wellenlängen von 1200 nm hinaus auszudehnen.
  • Bei dem Strahlungsabsorber weist das Substrat eine Dotierstoffkonzentration von mindestens 1 × 1019 cm-3, bevorzugt von mindestens 5 × 1019 cm-3 und besonders bevorzugt von mindestens 1 × 1020 cm-3 auf. Es hat sich herausgestellt, dass die Absorption in dem Substrat umso höher ist, je größer die Dotierstoffkonzentration in dem Substratmaterial ist.
  • Der Dotierstoff kann ein Akzeptor oder ein Donator sein, d.h. das Substrat kann p-dotiert oder n-dotiert sein. Der Dotierstoff kann beispielsweise B, P, Sb oder As sei. B ist ein Akzeptor und P, Sb und As sind Donatoren.
  • Die Funktion der Oberflächenstruktur des Substrats als reflexionsmindernde Struktur kann durch die Größen der Strukturelemente der Oberflächenstruktur gezielt beeinflusst werden. Die Strukturelemente sind zum Beispiel eine Vielzahl von vorzugsweise statistisch verteilten Erhebungen. Die Oberflächenstruktur weist insbesondere Strukturelemente auf, die sich ausgehend vom Substrat zur Strahlungseintrittsfläche hin verjüngen, also zum Beispiel eine nadel-, kegel- oder pyramidenartige Struktur aufweisen.
  • Bevorzugt weist die Oberflächenstruktur des Substrats Strukturelemente auf, deren Breite im Mittel zwischen 10 nm und 5 µm beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Breite der Strukturelemente nicht mehr als 1 µm, beispielsweise zwischen 100 nm und 1 µm. Die Breite der Strukturelemente ist vorzugsweise nicht größer als 20 % der Wellenlänge der zu absorbierenden Strahlung.
  • Die Oberflächenstruktur des Substrats bewirkt einen Brechungsindexgradienten zum Umgebungsmedium, wodurch die Reflexion der einfallenden Strahlung an einer Strahlungseintrittsfläche des Strahlungsabsorbers vermindert wird. Insbesondere wird durch die der Strahlungseintrittsfläche des Strahlungsabsorbers zugewandte Oberflächenstruktur eine reflexionsmindernde Wirkung für die auf den Strahlungsabsorber einfallende Strahlung erzielt und auf diese Weise die Effizienz des Strahlungsabsorbers erhöht. Vorteilhaft wird die einfallende Strahlung an der Oberfläche des Substrats geringer reflektiert als bei einem ebenen Substrat.
  • Die Oberflächenstruktur des Substrats weist vorzugsweise Strukturelemente auf, deren Höhe im Mittel zwischen 500 nm und 10 µm beträgt. Die Höhe der Strukturelemente ist vorzugsweise größer als die Breite der Strukturelemente. Weiterhin ist die Höhe der Strukturelemente vorzugsweise größer als die Hälfte der Wellenlänge der zu absorbierenden Strahlung.
  • Die Oberflächenstruktur zeichnet sich vorteilhaft durch ein hohes Aspektverhältnis aus. Das Aspektverhältnis der Oberflächenstruktur, das heißt das Verhältnis der Höhe zur Breite der Strukturelemente, beträgt vorteilhaft mindestens 1, bevorzugt mindestens 2, mindestens 5 oder sogar mindestens 10.
  • Die Oberflächenstruktur des Substrats kann insbesondere nadelförmige Strukturen aufweisen. Die Herstellung derartiger Strukturen mit einem Plasmaätzverfahren ist an sich bekannt und wird daher nicht näher erläutert.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Strahlungsabsorbers ist eine reflexionsmindernde Schicht auf der Oberflächenstruktur des Substrats angeordnet. Die reflexionsmindernde Schicht weist vorteilhaft einen Brechungsindex auf, der geringer ist als der Brechungsindex des Materials des Substrats. Bei der Verwendung eines Siliziumsubstrats ist der Brechungsindex der reflexionsmindernden Schicht also insbesondere geringer als der Brechungsindex von Silizium. Mittels der reflexionsmindernden Schicht auf der Oberflächenstruktur ist es möglich, die bereits durch die Oberflächenstruktur verminderte Reflexion für einfallende Strahlung noch weiter zu vermindern. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die reflexionsmindernde Schicht die Oberflächenstruktur des Substrats konform nachbildet, also insbesondere die Oberflächenstruktur des Substrats nicht einebnet. Die reflexionsmindernde Schicht weist bevorzugt eine Dicke auf, die geringer ist als die Höhe der Strukturelemente der Oberflächenstruktur.
  • Bei dem Strahlungsabsorber ist an einer der Strahlungseintrittsfläche gegenüberliegenden Rückseite des Substrats eine strahlungsabsorbierende Schicht angeordnet. Bei der strahlungsabsorbierenden Schicht kann es sich insbesondere um eine Metallschicht handeln. Die strahlungsabsorbierende Schicht an der Rückseite des Substrats hat den Vorteil, dass Strahlung, die trotz der erhöhten Absorption in dem Substrat nicht absorbiert wird, nicht an der Rückseite des Substrats wieder aus dem Strahlungsabsorber austritt, sondern in der strahlungsabsorbierenden Schicht absorbiert wird.
  • Weiterhin weist das Substrat an einer der strahlungsabsorbierenden Schicht zugewandten Rückseite eine weitere Oberflächenstruktur auf, die sich mindestens bis in eine Tiefe von 100 nm in das Substrat hinein erstreckt. Die weitere Oberflächenstruktur an der Rückseite des Substrats kann die gleichen vorteilhaften Ausgestaltungen wie die Oberflächenstruktur an der Strahlungseintrittsfläche aufweisen, die daher nicht nochmals näher erläutert werden. Die weitere Oberflächenstruktur an der Grenzfläche zur strahlungsabsorbierenden Schicht hat den Vorteil, dass die Reflexion an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der strahlungsabsorbierenden Schicht vermindert wird, so dass Strahlung, welche nicht in dem Substrat absorbiert wird und die Grenzfläche zur strahlungsabsorbierenden Schicht erreicht, dort nicht reflektiert wird, sondern in die strahlungsabsorbierende Schicht eintritt und dort vorteilhaft absorbiert wird.
  • Der hierin beschriebene Strahlungsabsorber hat den Vorteil, dass einfallende Strahlung an der Strahlungseintrittsfläche eine sehr geringe Reflexion aufweist, wodurch sich eine besonders hohe Absorption ergibt. Weiterhin ist der Strahlungsabsorber kostengünstig herstellbar, da insbesondere Siliziumsubstrate sehr kostengünstig in hoher Qualität erhältlich sind und nur wenige Verfahrensschritte zur Herstellung notwendig sind.
  • Bei der Herstellung des Strahlungsabsorbers müssen keine Edelmetalle verwendet werden, die zu einer Inkompatibilität mit CMOS-Prozessen führen könnten. Das Silizium enthaltende Grundmaterial des Substrats hat weiterhin den Vorteil, dass es eine hohe Zerstörschwelle bei Bestrahlung mit hohen Lichtleistungen und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass der Strahlungsabsorber zum Beispiel für Kalorimeter und Hochleistungsanwendungen eingesetzt werden kann.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels (6) und weiteren Ausführungsbeispielen (1 bis 5 und 7) näher erläutert. Beispiele, die nicht sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen, sind kein Bestandteil der vorliegenden Erfindung, obwohl sie zum Teil in der Beschreibung als „Ausführungsbeispiele“ bezeichnet sind. Sie sind lediglich Beispiele, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich sind.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Strahlungsabsorber gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 2 eine grafische Darstellung des Absorptionskoeffizienten α in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ bei drei Ausführungsbeispielen des Strahlungsabsorbers,
    • 3 eine grafische Darstellung der Transmission T in Abhängigkeit von der Dicke d des Strahlungsabsorbers bei drei Ausführungsbeispielen des Strahlungsabsorbers,
    • 4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Strahlungsabsorber gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
    • 5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Strahlungsabsorber gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
    • 6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Strahlungsabsorber gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, und
    • 7 eine grafische Darstellung der Absorption A in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ bei zwei Ausführungsbeispielen des Strahlungsabsorbers und einem Vergleichsbeispiel.
  • Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
  • Das in 1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel eines Strahlungsabsorbers 10 weist ein Substrat 1 auf, das ein Siliziumsubstrat ist. Alternativ könnte das Substrat 1 aus einer Siliziumverbindung wie beispielsweise SiC oder SixGe1-x gebildet sein.
  • Das Substrat 1 weist eine Oberflächenstruktur 3 auf, die sich mindestens 100 nm, bevorzugt mindestens 500 nm und besonders bevorzugt mindestens 1 µm in das Substrat 1 hinein erstreckt. Insbesondere kann die Oberflächenstruktur 3 Strukturelemente 4 in Form von statistisch verteilten Erhebungen aufweisen, deren Höhe im Mittel zwischen 500 nm und 10 µm beträgt. Die Breite der Strukturelemente 4 beträgt vorzugsweise zwischen 10 nm und 5 µm, besonders bevorzugt zwischen 100 nm und 1 µm. Eine derartige Oberflächenstruktur 3 kann vorteilhaft mit vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand mittels eines Plasmaätzverfahrens hergestellt werden. Die Breite und die Höhe der Strukturelemente 4 können dabei durch die Ätzparameter des Plasmaätzprozesses eingestellt werden.
  • Aufgrund der Oberflächenstruktur 3 ändert sich der Brechungsindex an einer Strahlungseintrittsfläche 5 des Strahlungsabsorbers 10 nicht abrupt, sondern weist einen Gradienten auf, wobei der Brechungsindex vorzugsweise kontinuierlich in Richtung des Substrats 1 ansteigt. Durch den in der Richtung der einfallenden Strahlung verlaufenden Brechungsindexgradienten wird die Reflexion der einfallenden Strahlung an der Strahlungseintrittsfläche 5 des Strahlungsabsorbers 10 vorteilhaft vermindert. Dadurch erhöht sich vorteilhaft die Effizienz des Strahlungsabsorbers 10.
  • Bei dem Strahlungsabsorber 10 wird die Absorption in dem Substrat 1 vorteilhaft dadurch weiter erhöht, dass das Substrat 1 mit einem Dotierstoff dotiert ist. Die Verminderung der Reflexion an der Strahlungseintrittsfläche durch die Oberflächenstruktur 3 und die Dotierung des Substrats 1 bewirken zusammen eine besonders hohe Absorption des Strahlungsabsorbers 10 in einem breiten Wellenlängenbereich.
  • Die Dotierstoffkonzentration in dem Substrat 1 beträgt mindestens 1 × 1019 cm-3, bevorzugt mindestens 5 × 1019 cm-3 und besonders bevorzugt mindestens 1 × 1020 cm-3.
  • Der Einfluss der Dotierung auf die Strahlungsabsorption wird in 2 veranschaulicht. Dargestellt ist der Absorptionskoeffizient α in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für drei Substrate 1 aus Silizium, die mit dem Dotierstoff Bor in Konzentrationen 1 × 1019 cm-3, 5 × 1019 cm -3 und 1 × 1020 dotiert sind. Der Grafik ist zu entnehmen, dass der Absorptionskoeffizient α mit zunehmender Dotierstoffkonzentration vorteilhaft zunimmt und sich insbesondere in Wellenlängenbereiche über 1200 nm hinaus erstreckt, in denen undotiertes Silizium keine wesentliche Absorption aufweisen würde.
  • In 3 ist die Transmission T in Abhängigkeit von der Schichtdicke für Siliziumsubstrate 1 bei drei verschiedenen Dotierstoffkonzentrationen 1 × 1019 cm-3, 5 × 1019 cm-3 und 1 × 1020 dargestellt. Es zeigt sich, dass die Transmission umso steiler mit zunehmender Schichtdicke abfällt, je höher die Dotierstoffkonzentration in dem Siliziumsubstrat 1 ist.
  • Die mit zunehmender Dotierstoffkonzentration zunehmende Absorption beruht auf einer höheren Dichte frei beweglicher Ladungsträger aufgrund der Dotierung. Diese freien Ladungsträger erhöhen die Permittivität des Substratmaterials und auf diese Weise die Absorption.
  • In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Strahlungsabsorbers 10 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 1 dadurch, dass eine reflexionsmindernde Schicht 2 auf die Oberflächenstruktur 3 des Siliziumsubstrats 1 aufgebracht ist. Die reflexionsmindernde Schicht 2 weist vorteilhaft einen geringeren Brechungsindex als das Material des Substrats 1 auf. Im Fall eines Siliziumsubstrats 1 ist der Brechungsindex der reflexionsmindernden Schicht also vorteilhaft geringer als der Brechungsindex von Silizium.
  • Die reflexionsmindernde Schicht 2 ist vorzugsweise eine dielektrische Schicht. Es ist auch möglich, dass die reflexionsmindernde Schicht 2 aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt ist. Die reflexionsmindernde Schicht 2 bildet die Oberflächenstruktur 3 des Substrats 1 vorzugsweise im Wesentlichen konform nach, so dass die Oberfläche der reflexionsmindernden Schicht 2 im Wesentlichen die gleiche Oberflächenstruktur 3 wie das Substrat 1 aufweist. Hierzu ist die Dicke der reflexionsmindernden Schicht 2 vorzugsweise kleiner als die Höhe der Strukturelemente 4 der Oberflächenstruktur 3 in dem Substrat 1.
  • In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Strahlungsabsorbers 10 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der 5 unterscheidet sich von dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Substrat 1 an einer der Strahlungseintrittsfläche 5 gegenüberliegenden Rückseite 6 mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht 7 versehen ist. Die strahlungsabsorbierende Schicht 7 ist vorzugsweise eine Metallschicht. Die strahlungsabsorbierende Schicht 7 an der Rückseite 6 des Substrats 1 hat den Vorteil, dass Strahlung, welche das Substrat 1 bis zur Rückseite 6 passiert hat, in der strahlungsabsorbierenden Schicht 7 absorbiert wird oder in das Substrat 1 zurückreflektiert wird, so dass dieser Strahlungsanteil teilweise oder vorzugsweise ganz bei einer erneuten Durchquerung des Substrats 1 absorbiert wird. Durch die strahlungsabsorbierende Schicht 7 an der Rückseite wird daher die Absorption des Strahlungsabsorbers 10 vorteilhaft weiter erhöht.
  • In 6 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Strahlungsabsorbers 10 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel weist wie das Ausführungsbeispiel der 5 an einer Rückseite 6 des Substrats 1 eine strahlungsabsorbierende Schicht 7, insbesondere eine Metallschicht, auf. Bei dem Ausführungsbeispiel der 6 ist die Rückseite 6 des Substrats vorteilhaft mit einer weiteren Oberflächenstruktur 8 versehen, die hinsichtlich ihrer Ausgestaltungen der Oberflächenstruktur 3 an der gegenüberliegenden Strahlungseintrittsfläche 5 entsprechen kann und in gleicher Weise beispielsweise mit einem Plasmaätzverfahren hergestellt werden kann.
  • Die Oberflächenstruktur 8 an der Rückseite 6 des Substrats 1 erzeugt vorteilhaft einen Brechungsindexgradienten an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 1 und der absorbierenden Schicht 7. Auf diese Weise wird die Reflexion von Strahlung an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 1 und der absorbierenden Schicht vermindert. Dies bewirkt, dass Strahlung, welche bis zur Rückseite des Substrats vordringt, nahezu vollständig in die absorbierende Schicht 7 eindringt und dort absorbiert wird. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine besonders hohe Absorption erzielt.
  • 7 zeigt die Absorption A in Abhängigkeit von der Wellenlänge A für zwei Ausführungsbeispiele des Strahlungsabsorbers mit einer hohen Dotierstoffkonzentration im Bereich zwischen 1 × 1019 und 1 × 1020 cm-3 (Absorptionsspektren 12 und 13) im Vergleich zu einem Vergleichsbeispiel eines Strahlungsabsorbers, der nur eine geringe Dotierstoffkonzentration im Bereich zwischen 1 × 1015 cm-3 und 1 × 1016 aufweist (Absorptionsspektrum 11). Der Vergleich zeigt deutlich, dass sich bei den beiden Ausführungsbeispielen mit hoher Dotierstoffkonzentration die Absorption zu wesentlich größeren Wellenlängen hin erstreckt. Das Absorptionsspektrum 12 wurde an einem Strahlungsabsorber gemessen, der wie das Ausführungsbeispiel der 1 aufgebaut ist. Das Absorptionsspektrum 13 wurde an einem Strahlungsabsorber gemessen, der wie das Ausführungsbeispiel der 4 aufgebaut ist, wobei als reflexionsmindernde Schicht eine 30 nm dicke dielektrische Schicht aus Al2O3 auf die Oberflächenstruktur des Strahlungsabsorbers aufgebracht wurde. Es zeigt sich, dass durch das zusätzliche Aufbringen der reflexionsmindernden Schicht die Absorption noch weiter erhöht wird.
  • Der hierin beschriebene Strahlungsabsorber kann insbesondere zur Absorption unerwünschter Strahlung und Unterdrückung von parasitärem optischen Übersprechen in lichtempfindlichen Apparaturen wie beispielsweise Strahlungsdetektoren, Kameras, Spektrometern oder Spektralkameras eingesetzt werden. Weiterhin kann der Strahlungsabsorber auch als Absorber zur solarthermischen Energieerzeugung eingesetzt werden. Ein weiteres Anwendungsfeld sind Absorber in thermischen Lichtsensoren wie beispielsweise Bolometern, Strahlungsthermosäulen oder pyroelektrischen Detektoren. Weiterhin ist der Strahlungsabsorber als IR-Transmissionsfilter mit nur partieller Absorption, bei dem der Transmissionsgrad durch die Dotierstoffkonzentration einstellbar ist, einsetzbar. Der Strahlungsabsorber kann auch als technisches Absorptionsnormal, zum Beispiel zur Kalibration, als Strahlfänger zur Erhöhung der Lasersicherheit in lasergestützten Anwendungen oder in der optischen Kalorimetrie zur kalibrationsfreien Strahlungsleistungsmessung eingesetzt werden.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims (10)

  1. Strahlungsabsorber mit einem Substrat (1), das Silizium oder eine Siliziumverbindung enthält, wobei - das Substrat (1) eine Oberflächenstruktur (3) aufweist, die einer Strahlungseintrittsfläche (5) des Strahlungsabsorbers (10) zugewandt ist und sich mindestens bis in eine Tiefe von 100 nm in das Substrat (1) hinein erstreckt, - das Substrat (1) mit einem Dotierstoff dotiert ist, wobei die Dotierstoffkonzentration in dem Substrat (1) mindestens 1 × 1019 beträgt, - an einer der Strahlungseintrittsfläche (5) gegenüberliegenden Rückseite (6) des Substrats (1) eine strahlungsabsorbierende Schicht (7) angeordnet ist, und - das Substrat (1) an der Rückseite (6) eine weitere Oberflächenstruktur (8) aufweist, die sich mindestens bis in eine Tiefe von 100 nm in das Substrat (1) hinein erstreckt.
  2. Strahlungsabsorber nach Anspruch 1, wobei die Dotierstoffkonzentration in dem Substrat (1) mindestens 5 × 1019 beträgt.
  3. Strahlungsabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dotierstoffkonzentration in dem Substrat (1) mindestens 1 × 1020 beträgt.
  4. Strahlungsabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dotierstoff B, P, Sb oder As ist.
  5. Strahlungsabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenstruktur (3) des Substrats (1) Strukturelemente (4) aufweist, deren Breite im Mittel zwischen 10 nm und 5 µm beträgt.
  6. Strahlungsabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenstruktur (3) des Substrats (1) Strukturelemente (4) aufweist, deren Breite im Mittel zwischen 100 nm und 1 µm beträgt.
  7. Strahlungsabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenstruktur (3) des Substrats (1) Strukturelemente (4) aufweist, deren Höhe im Mittel zwischen 500 nm und 10 µm beträgt.
  8. Strahlungsabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine reflexionsmindernde Schicht (2) auf der Oberflächenstruktur (3) des Substrats (1) angeordnet ist, die einen Brechungsindex aufweist, der geringer ist als der Brechungsindex des Materials des Substrats (1).
  9. Strahlungsabsorber nach Anspruch 8, wobei die reflexionsmindernde Schicht (2) die Oberflächenstruktur (3) konform nachbildet.
  10. Strahlungsabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die strahlungsabsorbierende Schicht (7) eine Metallschicht ist.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019131429A1 (de) * 2019-11-21 2021-05-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Störstrahlung reduzierendes Schichtsystem

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005005808A1 (de) * 2005-02-09 2006-08-10 Centrotherm Elektrische Anlagen Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Siliziumsolarzellen
US20070001094A1 (en) * 2005-06-29 2007-01-04 Micron Technology, Inc. Infrared filter for imagers
DE102005048360A1 (de) * 2005-10-10 2007-04-12 X-Fab Semiconductor Foundries Ag Mit dem RIE-Verfahren erzeugte selbstorganisierte Nanostrukturen auf Siliziumbasis als breitbandige optische Absorber

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4984855A (en) 1987-11-10 1991-01-15 Anritsu Corporation Ultra-black film and method of manufacturing the same
US20090126783A1 (en) 2007-11-15 2009-05-21 Rensselaer Polytechnic Institute Use of vertical aligned carbon nanotube as a super dark absorber for pv, tpv, radar and infrared absorber application

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005005808A1 (de) * 2005-02-09 2006-08-10 Centrotherm Elektrische Anlagen Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Siliziumsolarzellen
US20070001094A1 (en) * 2005-06-29 2007-01-04 Micron Technology, Inc. Infrared filter for imagers
DE102005048360A1 (de) * 2005-10-10 2007-04-12 X-Fab Semiconductor Foundries Ag Mit dem RIE-Verfahren erzeugte selbstorganisierte Nanostrukturen auf Siliziumbasis als breitbandige optische Absorber

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KOYNOV, Svetoslav; BRANDT, Martin S.; STUTZMANN, Martin. Black nonreflecting silicon surfaces for solar cells. Applied Physics Letters, Vol. 88, 2006, S. 203107. AIP Publishing [online]. DOI: 10.1063/1.2204573, In: AIP *
Microbolometer. In: Wikipedia, The Free Encyclopedia. Bearbeitungsstand: 05.02.2013. URL: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Microbolometer&oldid=536669973 [abgerufen am 06.09.2019] *
PU, Mingbo [et al.]: Engineering heavily doped silicon for broadband absorber in the terahertz regime. Optics Express, Vol. 20 (23), 2012, S. 25513-25519. OSA publishing [online]. DOI: 10.1364/OE.20.025513, In: OSA *

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