DE102013109506A1 - Directionally sensitive photosensor for detecting the direction of incidence of light - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen richtungssensitiven Fotosensor zur Erfassung der Einfallsrichtung von Licht. Der Sensor umfasst ein Halbleitersubstrat (01), in welchem mehrere lichtempfindliche Sensorbereiche (04) ausgebildet sind. Mindestens zwei lichtempfindliche Sensorbereiche (04) sind in zur Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats geneigten Flächen (03), deren Flächennormalen (n1, n2) nicht parallel zueinander sind, ausgebildet.The invention relates to a direction-sensitive photosensor for detecting the direction of incidence of light. The sensor comprises a semiconductor substrate (01) in which a plurality of photosensitive sensor regions (04) are formed. At least two photosensitive sensor regions (04) are formed in surfaces (03) inclined to the main extension plane of the semiconductor substrate, whose surface normals (n1, n2) are not parallel to one another.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen richtungssensitiven Fotosensor, welcher insbesondere der Erfassung der Einfallsrichtung von auf den Sensor auftreffendem Licht dient. Der Fotosensor kann darüber hinaus in an sich bekannter Weise die Beleuchtungsstärke des auftreffenden Lichts bestimmen, wenn dies gewünscht ist. Dazu sind in einem solchen Fotosensor mehrere lichtempfindliche Sensorbereiche ausgebildet, beispielsweise als Fotodioden. The present invention relates to a direction-sensitive photosensor, which in particular serves to detect the direction of incidence of light incident on the sensor. The photosensor can also determine in known manner, the illuminance of the incident light, if desired. For this purpose, a plurality of light-sensitive sensor regions are formed in such a photosensor, for example as photodiodes.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Licht“ breit verstanden und umfasst neben der für den Menschen sichtbaren elektromagnetischen Strahlung auch die angrenzenden Wellenlängenbereiche der Infrarot- und Ultraviolettstrahlung. Der Einsatzbereich des Fotosensors ist insoweit nur durch die spektrale Empfindlichkeit der jeweils ausgebildeten Sensorbereiche beschränkt. In the context of the present invention, the term "light" is widely understood and, in addition to the visible to humans electromagnetic radiation and the adjacent wavelength ranges of infrared and ultraviolet radiation. The field of application of the photosensor is limited in this respect only by the spectral sensitivity of the respectively formed sensor areas.

Fotosensoren sind in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt und werden im Stand der Technik für sehr unterschiedliche Anwendungen eingesetzt, bei denen es im weitesten Sinne um die Erfassung einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere sichtbarem Licht geht. Ein spezieller Anwendungsfall ist dabei die Bestimmung der Einfallsrichtung von Lichtstrahlen, gesehen aus der Position des Fotosensors. Die Kenntnis der Einfallsrichtung von Sonnenlicht ist beispielsweise für die Regelung von Klima- und Beschattungsanlagen sowie die Sonnenstand bezogene Nachführung von solartechnischen Anlagen wünschenswert, wobei die entsprechenden Anlagen nicht nur in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke sondern auch unter Berücksichtigung der Einfallsrichtung des Sonnenlichts gesteuert werden. Zur Bestimmung der Einfallsrichtung von Licht werden bei der Konstruktion bekannter Fotosensoren unterschiedliche Konzepte verfolgt. Photosensors are known in many different embodiments and are used in the prior art for very different applications, which in the broadest sense is about the detection of electromagnetic radiation, in particular visible light. A special application case is the determination of the direction of incidence of light rays, as seen from the position of the photosensor. The knowledge of the direction of incidence of sunlight, for example, for the control of air conditioning and shading systems and the sun-related tracking of solar energy systems desirable, the corresponding systems are controlled not only in dependence on the illuminance but also taking into account the direction of incidence of sunlight. To determine the direction of incidence of light, different concepts are pursued in the construction of known photosensors.

Die WO 2012/014236 A1 beschreibt einen Quadranten-Fotodetektor mit vier Fotosensoren, die in unterschiedlichen Quadranten angeordnet sind und von einer teils lichtundurchlässigen Maske überdeckt sind. In Abhängigkeit von der Einfallsrichtung des zu detektierenden Lichts wirft die lichtundurchlässige Maske einen schmalen Lichtkegel jeweils auf unterschiedliche Bereiche in der Quadrantenanordnung, so dass aus der an den einzelnen Fotosensoren festgestellten Beleuchtungsstärke auf die Lichteinfallsrichtung rückgeschlossen werden kann. Die Fertigung eines solchen aus mehreren Teilen bestehenden Quadranten-Fotodetektors ist relativ aufwendig und erfordert entweder eine hohe Präzision oder zumindest nachfolgend einen erheblichen Kalibrierungsaufwand. The WO 2012/014236 A1 describes a quadrant photodetector with four photosensors, which are arranged in different quadrants and are covered by a partially opaque mask. Depending on the direction of incidence of the light to be detected, the opaque mask casts a narrow beam of light onto different areas in the quadrant arrangement so that the light incident direction can be deduced from the illuminance detected at the individual photosensors. The manufacture of such a multi-part quadrant photodetector is relatively expensive and requires either a high precision or at least subsequently a considerable calibration effort.

Die DE 10 2010 064 140 A1 beschreibt einen Strahlungsrichtungssensor und ein Verfahren zur Ermittlung des Einfallswinkels einer Strahlungsquelle. Auch bei diesem Sensor wird ein auf einer Maskierung ausgebildetes Muster auf darunterliegende Sensoren projiziert, um aus der lokalen Beleuchtungsstärke auf einer Sensorfläche die Einfallsrichtung des Lichts zu berechnen. The DE 10 2010 064 140 A1 describes a radiation direction sensor and a method for determining the angle of incidence of a radiation source. In this sensor as well, a pattern formed on a mask is projected onto underlying sensors in order to calculate the direction of incidence of the light from the local illuminance on a sensor surface.

Die WO 2011/126316 A2 verfolgt eine andere Konzeption und beschreibt einen Sensor zur Erfassung von Sonnenlicht. Der Sensor verwendet einen massiven Grundkörper, an welchem zahlreiche zueinander winklig angeordnete Außenflächen vorgesehen sind. An diesen Außenflächen werden einzelne Fotosensoren angebracht, die in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung des Sonnenlichts unterschiedlich stark bestrahlt werden. Die Herstellung dieses Sensors ist aufwendig und führt zu einer erhöhten Fehleranfälligkeit der gesamten Sensoranordnung, wenn die einzelnen Fotosensoren auf den Außenflächen nicht exakt positioniert werden. The WO 2011/126316 A2 follows a different concept and describes a sensor for detecting sunlight. The sensor uses a solid base body on which numerous mutually angularly arranged outer surfaces are provided. On these outer surfaces individual photosensors are mounted, which are irradiated differently depending on the direction of incidence of the sunlight. The production of this sensor is complicated and leads to an increased susceptibility to error of the entire sensor arrangement, if the individual photosensors are not accurately positioned on the outer surfaces.

Einen ähnlichen Ansatz verfolgt die DE 38 21 743 A1 , die einen Sensor zur Erfassung der Sonneneinstrahlung in einem Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs beschreibt. Dabei sind auf einem Grundkörper mindestens zwei optisch voneinander getrennte Fotodioden angeordnet, denen die Lichteinstrahlung von zwei zueinander winklig stehenden Außenflächen zugeführt wird. Auch dieser Sensor besitzt einen komplizierten Aufbau, der zu den oben bereits genannten Nachteilen führt. A similar approach follows the DE 38 21 743 A1 , which describes a sensor for detecting the solar radiation in a passenger compartment of a motor vehicle. In this case, at least two optically separate photodiodes are arranged on a base body, to which the light irradiation of two mutually angled outer surfaces is supplied. Also, this sensor has a complicated structure, which leads to the disadvantages already mentioned above.

In der DE 44 23 778 A1 ist ein Messsystem mit vier fotosensitiven Komponenten zum Bestimmen des räumlichen Fehlwinkels einer punktförmigen Lichtquelle beschrieben. Dazu werden vier Sensoren beispielsweise konzentrisch an der Oberfläche einer Halbkugel oder an den Außenflächen eines Pyramidenstumpfes angeordnet. Die an den Sensoren gemessenen unterschiedlichen Beleuchtungsstärken werden für die Berechnung des Einfallswinkels herangezogen. Zwar wird in dieser Druckschrift ausgeführt, das insbesondere bei einem pyramidenstumpfförmigen Grundkörper eine hohe Präzision der zueinander geneigten Richtungen der auf dem Grundkörper angebrachten Sensoren möglich ist, jedoch hängt auch dies stark von der Fertigungsgenauigkeit ab. Wenn nämlich die Sensoren nicht exakt auf den Pyramidenflächen positioniert werden, hat dies zwangsläufig Auswirkungen auf die jeweils gemessene Beleuchtungsstärke. Durch die notwendige Montage der Sensoren auf dem Pyramidenstumpf ist auch die heutzutage angestrebte Miniaturisierung eines derartigen Sensors begrenzt. Schließlich resultieren Messfehler der Gesamtanordnung aus der zwangsläufig vorhandenen Streuung der Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren. In the DE 44 23 778 A1 For example, a measuring system with four photosensitive components for determining the spatial angle of error of a point light source is described. For this purpose, four sensors are arranged, for example, concentrically on the surface of a hemisphere or on the outer surfaces of a truncated pyramid. The different illuminances measured at the sensors are used to calculate the angle of incidence. Although it is stated in this document that, in particular in a truncated pyramid base body high precision of mutually inclined directions of the mounted on the base body sensors is possible, but this also depends heavily on the manufacturing accuracy. If the sensors are not positioned exactly on the pyramid surfaces, this inevitably affects the measured illuminance. Due to the necessary mounting of the sensors on the truncated pyramid, today's miniaturization of such a sensor is also limited. Finally, measurement errors of the overall arrangement result from the inevitable scattering of the sensitivity of the individual sensors.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, einen verbesserten richtungssensitiven Fotosensor bereitzustellen, mit dem einerseits die Einfallsrichtung von auf dem Sensor auftreffendem Licht mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann, der andererseits aber preiswert herstellbar ist und die Möglichkeit einer weitgehenden Miniaturisierung eröffnet. The object of the present invention, starting from the prior art is to provide an improved directionally sensitive photosensor, with the one hand, the direction of incidence of incident on the sensor light can be determined with high accuracy, on the other hand, however, is inexpensive to manufacture and opens up the possibility of extensive miniaturization ,

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen richtungssensitiven Fotosensor gemäß dem beigefügten Patentanspruch 1 gelöst. The above object is achieved by a direction-sensitive photosensor according to the appended claim 1.

Der erfindungsgemäße Fotosensor zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei lichtempfindliche Sensorbereiche in zur Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats geneigten Flächen ausgebildet sind, wobei die Flächennormalen dieser geneigten Flächen nicht parallel zueinander verlaufen. The photosensor according to the invention is characterized in that at least two light-sensitive sensor regions are formed in surfaces inclined to the main extension plane of the semiconductor substrate, wherein the surface normals of these inclined surfaces do not run parallel to one another.

Anders als bei den bekannten richtungssensitiven Fotosensoren werden also nicht einzelne Fotosensoren mechanisch auf einem gemeinsamen Träger angeordnet, sondern es erfolgt eine unmittelbare Ausbildung der lichtempfindlichen Sensorbereiche im Halbleiter-Trägersubstrat, jedoch auf zueinander winklig stehenden Flächen, die zur Haupterstreckungsebene bzw. Waferoberfläche des Halbleitersubstrats jeweils geneigt sind. Durch die Integration der lichtempfindlichen Sensorbereiche in das Halbleitersubstrat entfällt der sonst übliche Montageschritt vollständig. Stattdessen werden die bekannten Fertigungstechnologien der Halbleiterindustrie angewendet, um die lichtempfindlichen Sensorbereiche unmittelbar im Substrat auszubilden. Unlike the known direction-sensitive photosensors therefore not individual photosensors are mechanically arranged on a common carrier, but there is a direct formation of the photosensitive sensor areas in the semiconductor carrier substrate, but on mutually angled surfaces which are inclined to the main extension plane or wafer surface of the semiconductor substrate respectively are. As a result of the integration of the photosensitive sensor regions into the semiconductor substrate, the otherwise usual assembly step is completely eliminated. Instead, the known manufacturing technologies of the semiconductor industry are used to form the photosensitive sensor regions directly in the substrate.

Ein wesentlicher Vorteil der Integration mehrerer lichtempfindlicher Sensorbereiche in unterschiedlich geneigte Flächen des Halbleitersubstrats ist somit in der Vereinfachung der Herstellungsschritte unter Anwendung bekannter Technologien zu sehen. In diesem Zusammenhang wird aber auch deutlich, dass die erfindungsgemäße Lösung nur gefunden werden konnte, indem die bislang in der Fachwelt gesehenen Grenzen überschritten wurden. Während die planare Ausbildung eines einzelnen Fotosensors in ein Halbleiter-Trägersubstrat grundsätzlich bekannt war, bereitet schon die Anordnung eines beliebigen elektronischen Bauteils in einer zur Haupterstreckungseben des Halbleitersubstrats geneigten Fläche Schwierigkeiten. Derartige Schwierigkeiten konnten in jüngerer Zeit durch entsprechende fotolithografische Herstellungstechnologien, überwunden werden. So stellt die Herstellung eines einzelnen Fotosensors in einer zum Halbleitersubstrat geneigten Fläche für den Fachmann heute kein grundsätzliches Problem mehr dar, da ihm die entsprechenden Herstellungstechnologien zur Verfügung stehen, so dass auf eine detaillierte Beschreibung hier verzichtet werden kann. Allerdings lagen bis zur Erfindung keine Lösungen dahin gehend vor, mehrere geneigte Flächen im Halbleitersubstrat auszubilden, die zueinander nochmals in einem Winkel angeordnet sind, und dort jeweils unmittelbar lichtempfindliche Sensorbereiche zu integrieren. A significant advantage of the integration of a plurality of light-sensitive sensor regions in differently inclined surfaces of the semiconductor substrate is thus to be seen in the simplification of the production steps using known technologies. In this context, however, it also becomes clear that the solution according to the invention could only be found by exceeding the limits hitherto seen in the art. While the planar design of a single photosensor into a semiconductor carrier substrate was basically known, even the arrangement of any electronic component in a surface inclined to the main extension plane of the semiconductor substrate causes difficulties. Such difficulties have recently been overcome by corresponding photolithographic fabrication technologies. Thus, the production of a single photo sensor in a surface inclined to the semiconductor substrate is no longer a fundamental problem for the person skilled in the art, since the corresponding production technologies are available to him, so that a detailed description can be omitted here. However, until the invention, there were no solutions to form a plurality of inclined surfaces in the semiconductor substrate, which are again arranged at an angle to each other, and there to integrate each directly photosensitive sensor areas.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stehen die Flächennormalen der lichtempfindlichen Sensorbereiche zur Normalen des Halbleitersubstrats in einem Winkel zwischen 5° bis 85°, vorzugsweise 30° bis 60°, besonders bevorzugt 45° bis 55° und speziell 45° oder 54,7°. Bei einem Winkel von 45° ist von einer hohen Empfindlichkeit auszugehen. Ein Winkel von 54,7° bietet sich an, da dieser verhältnismäßig einfach durch anisotrope Ätzverfahren (z. B. mit Kalilauge (KOH)) an Siliziumoberflächen mit Kristallorientierung (100) erzeugt werden kann. In a preferred embodiment of the present invention, the surface normals of the photosensitive sensor regions to the normal of the semiconductor substrate are at an angle between 5 ° to 85 °, preferably 30 ° to 60 °, more preferably 45 ° to 55 ° and especially 45 ° or 54.7 ° , At an angle of 45 °, a high sensitivity is assumed. An angle of 54.7 ° is desirable, as it can be generated relatively easily by anisotropic etching processes (eg, with potassium hydroxide (KOH)) on silicon surfaces with crystal orientation (100).

Besonders bevorzugt sind die geneigten Flächen derart im Halbleitersubstrat angeordnet, dass sie gemeinsam eine zumindest abschnittsweise pyramidale Vertiefung bilden, deren lichtoffene Grundfläche in der Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats liegt. Eine solche Vertiefung in Pyramidenform kann in den üblichen Halbleitersubstraten mit bekannten Herstellungstechnologien erzeugt werden. Particularly preferably, the inclined surfaces are arranged in the semiconductor substrate such that together they form an at least partially pyramidal depression whose light-open base lies in the main extension plane of the semiconductor substrate. Such a recess in pyramidal shape can be produced in the usual semiconductor substrates with known production technologies.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der lichtoffenen Grundfläche der pyramidenförmigen Vertiefung eine vorzugsweise parallel verlaufende Deckfläche gegenübersteht, so dass ein Hohl-Pyramidenstumpf entsteht. In diese Deckfläche werden im gewöhnlichen Herstellungsprozess eine oder mehrere Öffnungen eingebracht, die das Halbleitersubstrat vollständig durchdringen und in denen in einem nachfolgenden Prozessschritt Durchkontaktierungen hindurchgeführt werden können. Diese Durchkontaktierungen ermöglichen die elektrische Kontaktierung der Anschlussstellen der lichtempfindlichen Sensorbereiche mit Leiterbahnen, die auf der Rückseite des Halbleiter-Trägersubstrats verlaufen, also gegenüberliegend zu der lichtoffenen Grundfläche des Pyramidenstumpfes. A particularly preferred embodiment is characterized in that the light-open base of the pyramid-shaped depression faces a preferably parallel extending top surface, so that a hollow truncated pyramid is formed. In this top surface, one or more openings are introduced in the ordinary manufacturing process, which completely penetrate the semiconductor substrate and in which through-contacts can be passed through in a subsequent process step. These plated-through holes allow the electrical contacting of the connection sites of the photosensitive sensor regions with interconnects that run on the back side of the semiconductor carrier substrate, that is to say opposite to the light-open base surface of the truncated pyramid.

Bei abgewandelten Ausführungsformen wird durch halbleitertechnologische Schritte ein größerer Bereich des Halbleitersubstrats abgetragen, so dass eine Erhöhung über der verbleibenden Grundfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, an welcher die geneigten Flächen mit den lichtempfindlichen Sensorbereichen angeordnet sind. Vorzugsweise weist diese Erhöhung ebenfalls eine Pyramidenform auf, die in diesem Fall allerdings erhaben über der Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats liegt. Eine solche Gestaltung kann vorteilhaft sein, wenn das zu detektierende Licht in einem sehr kleinen Winkel zur Ebene des Halbleitersubstrats auf den Sensor auftrifft und daher nur vermindert in eine Vertiefung im Substrat eintreten könnte. Durch die erhabene Gestaltung der lichtempfindlichen Sensorbereiche lassen sich sogar Lichtanteile detektieren, die parallel zur Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats auftreten. Die sonstigen Vorteile, insbesondere die monolithische Gestaltung der gesamten Sensoranordnung, bleiben dennoch erhalten. In modified embodiments, a larger area of the semiconductor substrate is removed by semiconductor technology steps, so that an increase is formed over the remaining base area of the semiconductor substrate on which the inclined areas are arranged with the photosensitive sensor areas. Preferably, this increase also has a pyramidal shape, which in this case, however, is raised above the main extension plane of the semiconductor substrate. Such a design may be advantageous if the light to be detected in a very small angle to the plane of the semiconductor substrate impinges on the sensor and therefore could occur only reduced in a depression in the substrate. Due to the raised design of the photosensitive sensor regions, it is even possible to detect light components which occur parallel to the main extension plane of the semiconductor substrate. The other advantages, in particular the monolithic design of the entire sensor arrangement, still remain.

Die lichtempfindlichen Sensorbereiche sind vorzugsweise als Fotodioden ausgebildet. In einem lichtempfindlichen Sensorbereich kann eine einzelne Fotodiode oder ein Array aus Fotodioden angeordnet werden. The photosensitive sensor regions are preferably designed as photodiodes. In a photosensitive sensor region, a single photodiode or an array of photodiodes can be arranged.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: Further advantages, details and developments of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, with reference to the drawings. Show it:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen richtungssensitiven Fotosensors mit zwei lichtempfindlichen Sensorbereichen; 1 a schematic sectional view of a direction-sensitive photosensor according to the invention with two photosensitive sensor areas;

2 eine schematische Darstellung von acht unterschiedlichen Ausführungsformen des richtungssensitiven Fotosensors mit elektrischen Anschlüssen; 2 a schematic representation of eight different embodiments of the directional photosensor with electrical connections;

3 eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Fotosensors mit einer pyramidenstumpfförmigen Erhöhung über dem Trägersubstrat; 3 a simplified perspective view of an embodiment of the photosensor with a truncated pyramidal elevation over the carrier substrate;

4 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Fotosensors mit einer pyramidalen Vertiefung im Halbleitersubstrat; 4 a perspective view of an embodiment of the photosensor with a pyramidal depression in the semiconductor substrate;

5 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Fotosensors mit einer Vertiefung in Pyramidenstumpfform und mit Durchkontaktierung. 5 a perspective view of an embodiment of the photosensor with a recess in truncated pyramid and with through-hole.

1 zeigt in einer stark vereinfachten Schnittdarstellung den Grundaufbau des erfindungsgemäßen richtungssensitiven Fotosensors. Anhand dieser Darstellung werden nachfolgend die entsprechenden Winkelverhältnisse der relevanten Flächen und die zu berücksichtigenden mathematischen Zusammenhänge bei der Bestimmung der Einfallsrichtung von auf den Sensor auftreffendem Licht erläutert. 1 shows in a simplified sectional view of the basic structure of the direction-sensitive photosensor according to the invention. Based on this representation, the corresponding angular relationships of the relevant surfaces and the mathematical relationships to be considered in the determination of the direction of incidence of light incident on the sensor are explained below.

Der Fotosensor umfasst zunächst ein Halbleitersubstrat 01, welches den Träger des Sensors bildet. Das Halbleitersubstrat ist vorzugsweise Silicium und als Teil eines Wafers hergestellt. Mit den bekannten Halbleitertechnologien lässt sich das Substrat bearbeiten, so dass auf einem gewöhnlichen Wafer mehrere entsprechende Fotosensoren parallel hergestellt werden können. Durch abtragende Verfahren, beispielsweise Ätzverfahren, wird im Halbleitersubstrat 01 eine Vertiefung 02 eingebracht, so dass die sich ausbildenden Innenflächen der Vertiefung zur Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats geneigt sind. Die Neigung lässt sich einfach durch die entsprechenden Flächennormalen beschreiben, die in 1 eingezeichnet wurden. Die Flächennormale des Halbleitersubstrats 01 ist mit n gekennzeichnet, während die Flächennormalen der beiden geneigten Flächen 03 mit n1 bzw. n2 bezeichnet sind. The photosensor first comprises a semiconductor substrate 01 which forms the carrier of the sensor. The semiconductor substrate is preferably silicon and fabricated as part of a wafer. With the known semiconductor technologies, the substrate can be processed so that a plurality of corresponding photosensors can be produced in parallel on an ordinary wafer. By erosive methods, such as etching, is in the semiconductor substrate 01 a depression 02 introduced, so that the forming inner surfaces of the recess are inclined to the main extension plane of the semiconductor substrate. The inclination can be easily described by the corresponding surface normals, which in 1 were drawn. The surface normal of the semiconductor substrate 01 is marked with n, while the surface normals of the two inclined surfaces 03 are denoted by n 1 and n 2, respectively.

In dem in 1 dargestellten einfachen Ausführungsbeispiel ist eine keilförmige Vertiefung 02 geformt, die lediglich zwei geneigte Flächen 03 besitzt. Der Neigungswinkel α der geneigten Flächen 03 spannt sich zwischen der Flächennormale n des Halbleitersubstrats und den Flächennormalen n1, n2 der geneigten Flächen auf. Die Tiefe der Vertiefung 02 im Halbleitsubstrat 01 bestimmt sich vorranging nach der benötigten Fläche für die auszubildenden lichtempfindlichen Sensorbereiche. In the in 1 illustrated simple embodiment is a wedge-shaped recess 02 shaped, the only two inclined surfaces 03 has. The inclination angle α of the inclined surfaces 03 spans between the surface normal n of the semiconductor substrate and the surface normal n 1 , n 2 of the inclined surfaces. The depth of the depression 02 in the semiconductor substrate 01 is primarily determined by the required area for the photosensitive sensor areas to be formed.

In den geneigten Flächen 03 werden durch herkömmliche Halbleitertechnologieschritte jeweils lichtempfindliche Sensorbereiche 04 ausgebildet, beispielsweise Fotodioden. Die Erfassungsrichtung der lichtempfindlichen Sensorbereiche 04 ist im Wesentlichen parallel mit den Flächennormalen n1, n2 der geneigten Flächen. In the inclined areas 03 become conventional photosensitive sensor areas by conventional semiconductor technology steps 04 formed, for example, photodiodes. The detection direction of the photosensitive sensor areas 04 is substantially parallel with the surface normal n 1 , n 2 of the inclined surfaces.

Durch Pfeile 06 symbolisiertes Licht fällt unter einem Winkel β (gegenüber n) auf den Fotosensor ein. Die beiden lichtempfindlichen Sensorbereiche 04 würden bei senkrechtem Lichteinfall (d. h. parallel zur jeweiligen Flächennormale n1, n2 der geneigten Flächen) jeweils das gleiche Maximalsignal Smax liefern. In erster Näherung liefern die lichtempfindlichen Sensorbereiche 04 ein um den Cosinus des Einfallswinkels des Lichtes auf ihrer Oberfläche reduziertes Signal, so dass gilt: S1 = Smaxcos(D – E) S2 = Smaxcos(D + E) By arrows 06 symbolized light is incident on the photosensor at an angle β (with respect to n). The two photosensitive sensor areas 04 In the case of normal incidence of light (ie, parallel to the respective surface normal n 1 , n 2 of the inclined surfaces), the same maximum signal S max would respectively be produced. As a first approximation, the photosensitive sensor areas provide 04 a signal reduced by the cosine of the angle of incidence of the light on its surface, such that S 1 = S max cos (D - E) S 2 = S max cos (D + E)

Durch Bildung des Signalverhältnisses S1/S2 entfällt die Abhängigkeit von Smax und der Einfallswinkel β, der dem gesuchten Einfallswinkel des Lichts entspricht, ergibt sich durch Umstellen und Reihenentwicklung der o. g. Cosinus-Terme. Als bestimmende Größe verbleibt neben den Sensorsignalen S1, S2 noch der von der Bauart des Fotosensors abhängige Neigungswinkel α der geneigten Flächen 03 gegenüber der Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats. Sofern nur geringe Streuungen in den Herstellungsprozessen auftreten, kann auf eine Kalibrierung des Fotosensors ggf. verzichtet werden, da lediglich die Signalverhältnisse der lichtempfindlichen Sensorbereiche bedeutsam sind. Für den ggf. notwendigen Ausgleich von Toleranzen innerhalb des Sensors kann eine einmalige Kalibrierung nach dem Fertigungsprozess durchgeführt werden. By forming the signal ratio S 1 / S 2 eliminates the dependence of S max and the angle of incidence β, which corresponds to the desired angle of incidence of the light, is obtained by switching and series expansion of the above cosine terms. As a determining size remains in addition to the sensor signals S 1 , S 2 still dependent on the type of photo sensor inclination angle α of the inclined surfaces 03 opposite the main extension plane of the semiconductor substrate. If only small variations in the manufacturing processes occur, can on one Calibration of the photo sensor may be omitted, since only the signal ratios of the photosensitive sensor areas are significant. For the possibly necessary compensation of tolerances within the sensor, a one-time calibration after the manufacturing process can be performed.

2 zeigt vereinfachte Schnittdarstellungen von acht beispielhaften Ausführungsformen des richtungssensitiven Fotosensors. Durch die gewählte Schnittdarstellung sind immer nur zwei geneigte Flächen 03 zu sehen, die im einfachsten Fall einer keilförmigen Vertiefung entstehen. Wie nachfolgend noch detailliert erläutert wird, sind abgewandelte Formen der Vertiefung möglich, so dass mehr als zwei geneigte Flächen mit jeweils darin ausgebildeten lichtempfindlichen Sensorbereichen bereitstehen. Wie weiterhin ersichtlich ist, müssen die lichtempfindlichen Sensorbereiche 04 über elektrische Anschlüsse 07 kontaktiert werden. 2 shows simplified sectional views of eight exemplary embodiments of the directional photosensor. Due to the selected sectional view are always only two inclined surfaces 03 to see, which arise in the simplest case of a wedge-shaped depression. As will be explained in more detail below, modified shapes of the recess are possible, so that more than two inclined surfaces are available, each with light-sensitive sensor regions formed therein. As can further be seen, the photosensitive sensor areas must 04 via electrical connections 07 be contacted.

Während bei der in 2 gezeigten Variante I die geneigten Flächen 03 an ihrem innenliegenden Ende zusammenlaufen, so dass sich ein keilförmiger Querschnitt ergibt, ist in der Variante II eine abgewandelte Lage der geneigten Flächen 03 gewählt, sodass ein Querschnitt in Form eines Parallelogramms für die Vertiefung 02 ausgebildet wird. Damit entsteht eine innenliegende Deckfläche 08, die einer lichtdurchlässigen Grundfläche 09 gegenüberliegt. In der gezeichneten Variante III ist im Bereich der Deckfläche 08 ein weiterer lichtempfindlicher Sensorbereich vorgesehen, der in die Signalauswertung einbezogen werden kann. Die Variante IV zeichnet sich dadurch aus, dass die Deckfläche 08 eine das Halbleitsubstrat 01 durchdringende Öffnung 11 besitzt, durch welche wiederum elektrische Anschlüsse 07 auf die Unterseite des Halbleitersubstrats 01 durchkontaktiert sind. While at the in 2 variant I shown the inclined surfaces 03 converge at its inner end, so that there is a wedge-shaped cross section, in the variant II is a modified position of the inclined surfaces 03 chosen so that a cross section in the form of a parallelogram for the recess 02 is trained. This creates an inner cover surface 08 which is a translucent base 09 opposite. In the drawn variant III is in the area of the top surface 08 another light-sensitive sensor area is provided, which can be included in the signal evaluation. The variant IV is characterized by the fact that the top surface 08 a half-life substrate 01 piercing opening 11 owns, which in turn electrical connections 07 on the underside of the semiconductor substrate 01 are plated through.

Die Varianten V, VI und VII der in 2 dargestellten Ausführungsformen unterscheiden sich von den zuvor genannten Bauformen grundsätzlich dadurch, dass die geneigten Flächen 03 nicht in das Halbleitersubstrat hinein geneigt sind, sondern sich über die Oberfläche des Halbleitersubstrats erheben. Auch hier werden an den geneigten Flächen 03 die lichtempfindlichen Sensorbereiche 04 ausgebildet. Wiederum sind spitz oder stumpf zulaufende Formen der Erhöhung möglich. Variants V, VI and VII of in 2 illustrated embodiments differ from the aforementioned designs basically in that the inclined surfaces 03 are not inclined into the semiconductor substrate, but rise above the surface of the semiconductor substrate. Again, be on the sloping surfaces 03 the photosensitive sensor areas 04 educated. Again, acute or blunt tapering forms of elevation are possible.

Bei Lichteinfallswinkeln größer als der Neigungswinkel der nach Innen gerichteten Sensorflächen (β > α) werden die vom Licht angestrahlten Flächen nicht mehr direkt beleuchtet. Eine Auswertung des Lichteinfallswinkels aus den Sensorsignalen wird dadurch schwer oder gar nicht mehr möglich. Um bei Bedarf auch in solchen Situationen eindeutige Einfallswinkelbestimmungen durchführen zu können, kann der Sensor nochmals abgewandelt werden. Dies zeigt die Bauvariante VIII der 2, die eine Kombination aus nach Innen und nach Außen geneigten Flächen 03 verwendet. Die erhabenen fotoempfindlichen Flächen außerhalb der Hohl-Pyramide sind vorzugsweise parallel zu den Seitenflächen der Hohl-Pyramide ausgerichtet, werden jedoch auch bei flachem Lichteinfall nicht (teil-)verschattet. Im Fall großer Einfallswinkel (β > α) kann so aus den Signalverhältnissen der unverschatteten erhabenen Fläche und der parallel dazu ausgerichteten teilverschatteten Hohl-Pyramidenfläche die Einfallswinkelbestimmung erfolgen. Auf diese Weise kann der auswertbare Lichteinfallswinkelbereich bis nahezu 90° erweitert werden. Die Variante VIII stellt eine Erweiterung der Variante I dar, kann aber auch leicht auf andere Varianten (z. B. II, III oder IV) übertragen werden. At light incidence angles greater than the angle of inclination of the inwardly directed sensor surfaces (β> α), the areas illuminated by the light are no longer directly illuminated. An evaluation of the light incidence angle from the sensor signals is difficult or impossible. In order to be able to carry out clear angles of incidence determination in such situations, if necessary, the sensor can be modified again. This shows the construction variant VIII of 2 , which is a combination of inward and outward inclined surfaces 03 used. The raised photosensitive surfaces outside the hollow pyramid are preferably aligned parallel to the side surfaces of the hollow pyramid, but are not (partially) shaded even in low light incidence. In the case of large angles of incidence (β> α), the angle of incidence can thus be determined from the signal ratios of the unshaded raised area and the partially shaded hollow pyramid area aligned parallel thereto. In this way, the evaluable light incidence angle range can be extended to almost 90 °. Variant VIII represents an extension of Variant I, but can also be easily transferred to other variants (eg II, III or IV).

3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fotosensors. Bei dieser Ausführungsform sind vier geneigte Flächen 03 zu einer sich über das Trägersubstrat 01 erhebenden Pyramide zusammengefügt. Es ist daran zu erinnern, dass die geneigten Flächen nicht durch Montageprozesse zu erzeugen sind, sondern im Rahmen entsprechender Strukturierungsprozesse des Halbleitersubstrats entstehen. Auf jeder der geneigten Flächen 03 ist mindestens ein lichtempfindlicher Sensorbereich 04 ausgebildet. Die elektrische Kontaktierung erfolgt über die elektrischen Anschlüsse 07, die in bekannter Weise auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats geführt werden. 3 shows a perspective view of a preferred embodiment of the photosensor according to the invention. In this embodiment, four inclined surfaces 03 to one over the carrier substrate 01 assembled uplifting pyramid. It should be remembered that the inclined surfaces are not to be produced by assembly processes, but arise within the framework of corresponding structuring processes of the semiconductor substrate. On each of the inclined surfaces 03 is at least one photosensitive sensor area 04 educated. The electrical contact is made via the electrical connections 07 , which are guided in a known manner on the surface of the semiconductor substrate.

4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fotosensors, bei welcher vier nach innen geneigte Flächen 03 im Halbleitersubstrat 01 ausgebildet sind. Damit entsteht eine nach innen gewandte Hohlpyramide, wobei auch hier auf jeder nach innen geneigten Fläche 03 einer oder mehrere lichtempfindliche Sensorbereiche 04 angeordnet sind. 4 shows a modified embodiment of the photosensor according to the invention, in which four inwardly inclined surfaces 03 in the semiconductor substrate 01 are formed. This creates an inwardly facing hollow pyramid, whereby here on each inwardly inclined surface 03 one or more photosensitive sensor areas 04 are arranged.

5 zeigt eine nochmals abgewandelte Ausführungsform des Fotosensors, die wiederum nach innen geneigte Flächen 03 verwendet, um eine Hohlpyramide im Halbleitersubstrat auszubilden. Der Unterschied zu der Ausführungsform nach 4 ist vor allem darin zu sehen, dass in der innenliegenden Deckfläche 08 der Pyramidenform die durchdringende Öffnung 11 vorgesehen ist, durch welche vier Durchkontaktierungen für den elektrischen Anschluss der vier Sensorbereiche 04 geführt sind. Die Durchführung der elektrischen Kontakte auf die Wafer-Rückseite hat den besonderen Vorteil, dass für die elektrische Anbindung des Sensors keine Drähte oder ähnliche hervorstehende Leitungen erforderlich sind. Dies gilt auch für den Substratanschluss (Massekontakt), welcher ebenfalls einfach von der Rückseite angeschlossen werden kann. Entsprechend konfigurierte Bauteile können im sogenannten „Surface mounted device“-Verfahren (SMD) direkt auf eine Leiterkarte gesetzt werden. 5 shows a further modified embodiment of the photosensor, which in turn inclined inwardly surfaces 03 used to form a hollow pyramid in the semiconductor substrate. The difference to the embodiment according to 4 is mainly seen in the fact that in the inner deck surface 08 the pyramidal shape the piercing opening 11 is provided, through which four vias for the electrical connection of the four sensor areas 04 are guided. The implementation of the electrical contacts on the back of the wafer has the particular advantage that no wires or similar protruding lines are required for the electrical connection of the sensor. This also applies to the substrate connection (ground contact), which can also be easily connected from the back. Correspondingly configured components can be used in the so-called "surface mounted device" method (SMD) are set directly on a printed circuit board.

Der Fachmann wird erkennen, dass bauliche Abwandlungen des beschriebenen Fotosensors einfach möglich sind. Für besondere Einsatzfälle ist es auch denkbar, dass die im Halbleitersubstrat ausgebildeten Vertiefungen durch ein transparentes Material verschlossen werden, um zwar den Lichteinfall unbehindert zu lassen, die sensitiven Bereiche allerdings vor sonstigen Umwelteinflüssen zu schützen. The person skilled in the art will recognize that structural modifications of the described photosensor are easily possible. For special applications, it is also conceivable that the recesses formed in the semiconductor substrate are closed by a transparent material, in order to allow the incidence of light unhindered, however, to protect the sensitive areas from other environmental influences.

Durch eine gezielt eingestellte Form des Abdeckmaterials kann zudem der Winkelmessbereich und die Winkelempfindlichkeit des Sensors gezielt beeinflusst und auf spezifische Anwendungsfälle optimiert werden. Wird die Abdeckung z. B. linsenförmig gestaltet, kann auch Licht aus größeren Einfallswinkelbereichen auf die geneigten Fotodioden geführt werden, wodurch der Messbereich erweitert werden kann. In addition, the angle measuring range and the angle sensitivity of the sensor can be influenced in a targeted manner and optimized for specific applications by means of a specifically set shape of the covering material. If the cover z. B. lens-shaped, light from larger incident angle ranges can be performed on the inclined photodiodes, whereby the measuring range can be extended.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

01 01
Halbleitersubstrat Semiconductor substrate
02 02
Vertiefung deepening
03 03
geneigte Flächen inclined surfaces
04 04
lichtempfindliche Sensorbereiche photosensitive sensor areas
05 05
06 06
Licht light
07 07
Elektrische Anschlüsse Electrical connections
08 08
Deckfläche cover surface
09 09
Grundfläche Floor space
10 10
11 11
durchdringende Öffnung piercing opening
nn
Flächennormale des Halbleitersubstrats Surface normal of the semiconductor substrate
n1, n2 n 1 , n 2
Flächennormalen der geneigten Flächen Surface normals of the inclined surfaces
α α
Neigungswinkel der geneigten Flächen  Inclination angle of the inclined surfaces
β β
Einfallswinkel des Lichts  Angle of incidence of the light

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • WO 2011/126316 A2 [0006] WO 2011/126316 A2 [0006]
  • DE 3821743 A1 [0007] DE 3821743 A1 [0007]
  • DE 4423778 A1 [0008] DE 4423778 A1 [0008]

Claims (10)

Richtungssensitiver Fotosensor zur Erfassung der Einfallsrichtung von auf den Fotosensor auftreffendem Licht, umfassend ein Halbleitersubstrat (01), in welchem mehrere lichtempfindliche Sensorbereiche (04) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei lichtempfindliche Sensorbereiche (04) in zur Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats geneigten Flächen (03), deren Flächennormalen (n1, n2) nicht parallel zueinander sind, ausgebildet sind. Direction-sensitive photosensor for detecting the direction of incidence of light incident on the photosensor, comprising a semiconductor substrate ( 01 ), in which a plurality of photosensitive sensor areas ( 04 ), characterized in that at least two photosensitive sensor areas ( 04 ) in the main extension plane of the semiconductor substrate inclined surfaces ( 03 ), whose surface normals (n 1 , n 2 ) are not parallel to each other, are formed. Fotosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtempfindlichen Sensorbereiche (04) in vier zur Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats (01) geneigten Flächen (03) ausgebildet sind, wobei benachbarte Flächen (03) jeweils senkrecht zueinander stehen. Photosensor according to claim 1, characterized in that the photosensitive sensor areas ( 04 ) in four to the main extension plane of the semiconductor substrate ( 01 ) inclined surfaces ( 03 ) are formed, with adjacent surfaces ( 03 ) are each perpendicular to each other. Fotosensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächennormalen (n1, n2) der geneigten Flächen (03) mit den lichtempfindlichen Sensorbereichen (04) zur Normalen (n) des Halbleitersubstrats (01) einen Neigungswinkel α von 30° bis 60° aufweisen. Photosensor according to claim 1 or 2, characterized in that the surface normals (n 1 , n 2 ) of the inclined surfaces ( 03 ) with the photosensitive sensor areas ( 04 ) to the normal (s) of the semiconductor substrate ( 01 ) have an inclination angle α of 30 ° to 60 °. Fotosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Halbleitersubstrat (01) eine zumindest abschnittsweise pyramidale Vertiefung (02) eingebracht ist, deren lichtoffene Grundfläche (09) in der Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats (01) liegt und in deren geneigten Seitenflächen (03) die lichtempfindlichen Sensorbereiche (04) ausgebildet sind. Photosensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the semiconductor substrate ( 01 ) an at least partially pyramidal depression ( 02 ), the light-open surface ( 09 ) in the main extension plane of the semiconductor substrate ( 01 ) and in their inclined side surfaces ( 03 ) the photosensitive sensor areas ( 04 ) are formed. Fotosensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die pyramidale Vertiefung (02) die Form eines Pyramidenstumpfes aufweist, dessen der lichtoffenen Grundfläche (09) gegenüberliegende Deckfläche (08) mindestens eine das Halbleitersubstrat (01) durchdringende Öffnung (11) aufweist, durch welche eine oder mehrere Durchkontaktierungen geführt sind, die elektrisch mit Anschlussstellen der lichtempfindlichen Sensorbereiche (04) verbunden sind. Photosensor according to claim 4, characterized in that the pyramidal recess ( 02 ) has the shape of a truncated pyramid whose light-open surface ( 09 ) opposite top surface ( 08 ) at least one of the semiconductor substrate ( 01 ) penetrating opening ( 11 ), through which one or more plated-through holes are guided, which are electrically connected to connection points of the light-sensitive sensor regions ( 04 ) are connected. Fotosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Halbleitersubstrat (01) eine zumindest abschnittsweise pyramidale Erhöhung ausgebildet ist, deren Grundfläche in der Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats (01) liegt und in deren nach außen gerichteten, geneigten Seitenflächen (03) die lichtempfindlichen Sensorbereiche (04) ausgebildet sind. Photosensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that on the semiconductor substrate ( 01 ) an at least partially pyramidal elevation is formed, whose base area in the main extension plane of the semiconductor substrate ( 01 ) and in their outwardly inclined surfaces ( 03 ) the photosensitive sensor areas ( 04 ) are formed. Fotosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat ein Silizium-Halbleiter ist. Photosensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the semiconductor substrate is a silicon semiconductor. Fotosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtempfindlichen Sensorbereiche (04) als Fotodioden ausgebildet sind. Photosensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the photosensitive sensor areas ( 04 ) are formed as photodiodes. Fotosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats (01) geneigten Flächen (03) durch halbleitertechnologische Fertigungsschritte, insbesondere Ätzprozesse ausgebildet sind. Photosensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the to the main extension plane of the semiconductor substrate ( 01 ) inclined surfaces ( 03 ) are formed by semiconductor technology manufacturing steps, in particular etching processes. Fotosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er monolithisch aufgebaut ist. Photosensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that it is constructed monolithically.
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