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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft allgemein Siliziumbauelemente und insbesondere optoelektronische Siliziumbauelemente.
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HINTERGRUND
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Bei optoelektronischen Einrichtungen werden Lichtstrahlen absorbiert und generieren Ladungsträger innerhalb der Einrichtung. Diese Ladungsträger sind in der Regel so ausgelegt, dass sie innerhalb eines bestimmten Lichtstrahlabsorptionsgebiets generiert werden, das durch eine Tiefe innerhalb der Einrichtung definiert werden kann, so dass sie nahe der Oberfläche der Einrichtung gesammelt werden können.
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Tiefer als in der Tiefe dieses Gebiets generierte Ladungsträger kann man sich als unerwünschtes Rauschen vorstellen. Herkömmliche Ansätze zur Behandlung dieser Ladungsträger betreffen oftmals, sie durch erweiterte elektrische Felder zur Oberfläche zu transportieren oder sie durch gezielte Einleitung von Rekombinationszentren zu vernichten. Letzteres ist nicht in allen Situationen geeignet, wie etwa jenen mit Gebieten, die aus physikalischen Gründen frei von elektrischen Feldern bleiben müssen, und ist auch durch die verfügbare Spannung beschränkt, während Letztere die interne Quanteneffizienz reduziert und bei sehr hohen Dotieratomdichten möglicherweise technisch schwierig zu realisieren ist. Die reduzierte Quanteneffizienz kann wiederum die Einrichtungsabmessungen beeinflussen, und vergrößerte Komplexität und technologische Herausforderungen können die Kosten erhöhen, was unerwünscht ist.
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Eine Vielzahl optischer Sensoren verwendet Infrarotlicht zum Erkennen von Objekten und Distanzen. Es ist bekannt, dass die Eindringtiefe von Licht in eine Siliziumstruktur mit der Wellenlänge zunimmt. Mit der zunehmenden Eindringtiefe ist bei zeitkritischen Anwendungen die Verzögerung von langsamen Diffusionsströmen von der größeren Tiefe, in die das Infrarotlicht zur Oberfläche der Einrichtungen eintritt, langsam. Dies kann Zeitverzögerungen verursachen, die angesichts der größeren Zeit signifikant sind, die erforderlich sind, damit die langsamen Diffusionsströme die Oberfläche erreichen. Zur Behandlung dieser Probleme verwendet der Stand der Technik üblicherweise für Infrarotwellenlängen im Bereich von 900 nm einen elektrischen Einschluss wie etwa eingebaute Felder. Diese Anstrengungen beim elektrischen Einschluss können jedoch teuer werden und die Produktionskosten auf eine Höhe steigern, die wirtschaftlich undurchführbar ist.
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Bei einem großen Bereich von Anwendungen ist Infrarotlicht das Lichtsignal der Wahl, weil es dem Menschen unsichtbar ist. Dies gestattet, Messungen durchzuführen, ohne dass menschliche Beobachter darauf aufmerksam werden. Im Stand der Technik, wie etwa Näherungssensoren oder Flugzeitsensoren, werden Verluste an Quanteneffizienz in den meisten Fällen akzeptiert. Bei zeitkritischen Anwendungen werden Verluste bei der Quanteneffizienz manchmal sogar durch Implementierung von rekombinierenden Gebieten in tieferen Bereichen der Siliziumstruktur bei dem Bemühen erhöht, einen störenden Hintergrundstrom zu eliminieren, der durch langsam diffundierende Ladungsträger entsteht. Eine grafische Darstellung, die die vergrößerte Eindringtiefe bei längeren Wellenlängen veranschaulicht, ist in 7 gezeigt.
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Auf dem Gebiet der Fotovoltaik sind im Stand der Technik eine Vielzahl an sogenannten „Lichtfangtechniken“ offenbart worden. Im fotovoltaischen Stand der Technik wurde eine Vielzahl an Strukturen untersucht, um die Lichtleistung zu verbessern, einschließlich umgekehrter Pyramiden, Nutenschneiden von multikristallinem Material oder senkrecht orientierte Nute auf der vorderen und hinteren Oberfläche der fotovoltaischen Einrichtung. Diese Techniken sind jedoch wegen der Strukturen selbst zum Einsatz in integrierten CMOS-Schaltungsanwendungen ungeeignet. Eine effektive Fotovoltaik verwendet eine vordere und eine hintere Oberfläche, die das aktive Absorptionsgebiet der optoelektronischen Siliziumeinrichtung direkt bedeckt. Bei standardmäßigen CMOS-Technologien wird die Rückseite der Struktur durch rückseitiges Dünnen in Back-End-Verarbeitung definiert. Dementsprechend können dedizierte Strukturen für den Lichteinfang nicht während einer Front-End-Fabrikationssequenz definiert werden.
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Viele optoelektronische Siliziumeinrichtungen profitieren von einer geringen Pixelgröße. Eine hohe interne Quanteneffizienz ist wichtig, um geringe Pixelgrößen zu erhalten, die kleine Einrichtungsabmessungen erfordern. Insbesondere ist bei zeitkritischen Anwendungen wichtig, ein kleines Absorptionsgebiet zu definieren, um Rauschkomponenten zu reduzieren, die durch Ladungsträger erzeugt werden, die tief im Volumen des Halbleiters generiert werden. Wie oben erörtert, kann dies schwierig sein, weil Silizium als ein indirekter Halbleiter spektrale Infrarotwellenlängenlichtkomponenten nur schwach absorbiert. Deswegen beträgt die Eindringtiefe für Licht bei Wellenlängen zwischen 800 und 900 nm etwa 12 Mikrometer bis 32 Mikrometer. In Situationen, in denen es günstig ist, dass lichtgenerierte Ladungsträger nahe der Oberfläche des Halbleiters gesammelt werden, kann diese Eigenschaft des Materials für den zeitkritischen Einrichtungsbetrieb problematisch sein. Gemäß dem Stand der Technik wurden, um dieses Problem zu behandeln, Ladungsträger, die tief im Volumen des Siliziumhalbleiters generiert werden, durch Anlegen erweiterter elektrischer Felder zur Oberfläche transportiert. Diese elektrischen Felder werden in schwach dotierten Zonen aufgebaut und sind durch die verfügbare Spannung beschränkt. Gemäß dem Stand der Technik sind Gebiete des Halbleiters, die aus physikalischen Gründen frei von einem Feld bleiben müssen, so ausgelegt, dass die darin generierten Elektron-Loch-Paare durch die gezielte Einführung von Rekombinationszentren vernichtet wurden. Dieser Ansatz führt zu reduzierter Quanteneffizienz und ist bei sehr hohen Verunreinigungsatomdichten technologisch schwierig zu implementieren. Unter den Umständen wird die aktive Rekombinationszone mit einer schwach dotierten Epitaxialschicht überwachsen, die für eine Verschiebung auf einem derartigen Träger leicht anfällig ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, Einrichtungen bereitzustellen, bei welchen die oben beschriebenen Probleme beseitigt oder zumindest abgemildert sind.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
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Es werden Einrichtungen, z.B. Bauelemente, nach Anspruch 1, 9 oder 14 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
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Ausführungsformen betreffen Lichtfalleneinrichtungen, Systeme und Verfahren.
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Bei einer Ausführungsform umfasst eine Einrichtung eine Siliziumstruktur mit einer freiliegenden Oberfläche, die Lichtstrahlen ausgesetzt werden soll; einen fotoelektrisch aktiven Abschnitt, der sich unter der freiliegenden Oberfläche innerhalb der Siliziumstruktur befindet; und eine interne Struktur, die sich unter dem aktiven Abschnitt befindet, wobei die interne Struktur eine Grenzflächenoberfläche allgemein parallel zur freiliegenden Oberfläche aufweist, an der die Totalreflexion von Lichtstrahlen derart erfolgt, dass mindestens einige der Lichtstrahlen zum fotoelektrisch aktiven Abschnitt umgelenkt werden.
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Bei einer Ausführungsform umfasst eine Einrichtung eine Siliziumstruktur mit einer freiliegenden Oberfläche, die Lichtstrahlen ausgesetzt werden soll, wobei die Oberfläche eine freiliegende Oberflächenebene aufweist, wobei die freiliegende Oberfläche brechende Facetten definiert, die so abgewinkelt sind, dass sie nicht-parallel zur Oberflächenebene verlaufen; einen fotoelektrisch aktiven Abschnitt, der sich unter der Oberfläche innerhalb der Siliziumstruktur befindet; und eine interne Struktur, die sich unter dem aktiven Abschnitt befindet, wobei die interne Struktur eine Grenzflächenoberfläche aufweist, wobei mindestens ein Teil der Grenzflächenoberfläche allgemein parallel zur freiliegenden Oberflächenebene verläuft und an dem eine Totalreflexion von Lichtstrahlen derart erfolgt, dass mindestens einige der Lichtstrahlen zum fotoelektrisch aktiven Abschnitt umgelenkt werden.
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Bei einer Ausführungsform umfasst eine Einrichtung eine Siliziumstruktur mit einer freiliegenden Oberfläche, die Lichtstrahlen ausgesetzt werden soll; einen fotoelektrisch aktiven Abschnitt, der sich unter der Oberfläche innerhalb der Siliziumstruktur befindet; eine interne Struktur, die sich unter dem fotoelektrisch aktiven Abschnitt befindet, wobei die interne Struktur mindestens eine Grenzflächenoberfläche nicht-parallel zur freiliegenden Oberfläche aufweist, bei der Totalreflexion von Lichtstrahlen derart erfolgt, dass mindestens einige Lichtstrahlen zu dem fotoelektrisch aktiven Abschnitt, zur freiliegenden Oberfläche oder beiden umgelenkt werden; und eine Umfangsstruktur, die sich bei einem Umfang der Siliziumstruktur befindet und sich mindestens teilweise über der internen Struktur und unter der freiliegenden Oberfläche erstreckt, wobei der Umfang eine intern gerichtete Grenzfläche aufweist, in der eine Totalreflexion mindestens einiger der Lichtstrahlen erfolgt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung kann bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vollständiger verstanden werden. Es zeigen:
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1 eine Seitenquerschnittsansicht einer Lichtfallenstruktur in einer Siliziumstruktur gemäß einer Ausführungsform,
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2 eine Seitenquerschnittsansicht einer Lichtfallenstruktur in einer Siliziumstruktur gemäß einer Ausführungsform,
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3 eine Seitenquerschnittsansicht einer Lichtfallenstruktur in einer Siliziumstruktur gemäß einer Ausführungsform,
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4 eine Seitenquerschnittsansicht eines Lichtstrahls, der eine Siliziumstruktur mit einer Lichtfallenstruktur gemäß einer Ausführungsform trifft,
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5A eine Seitenquerschnittsansicht einer Siliziumstruktur gemäß einer Ausführungsform,
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5B eine Seitenquerschnittsansicht von mehreren Gräben, in einer Siliziumstruktur gemäß einer Ausführungsform ausgebildet,
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5C eine Seitenquerschnittsansicht von mehreren Hohlräumen, die aus den Gräben von 5B gemäß einer Ausführungsform ausgebildet sind,
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5D eine Seitenquerschnittsansicht einer Fotodetektoreinrichtung, die eine Lichtfallenstruktur gemäß einer Ausführungsform umfasst,
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6 eine Seitenquerschnittsansicht einer Lichtfallenstruktur in einer Siliziumstruktur mit einer lichtfokussierenden Dachstruktur gemäß einer Ausführungsform,
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7 eine grafische Darstellung, die die Eindringtiefe von Licht als Funktion der Wellenlänge im Silizium darstellt;
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8 eine Seitenquerschnitts- und Perspektivansicht einer Siliziumstruktur gemäß einer Ausführungsform,
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9 eine Seitenquerschnitts- und Perspektivansicht einer Siliziumstruktur gemäß einer Ausführungsform,
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10 eine Seitenquerschnittsansicht einer Siliziumstruktur mit einer Schicht aus benachbarten Röhren jeweils mit einer Längsachse,
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11 eine grafische Darstellung, die einen Fotostrom als Funktion einer Gatespannung darstellt,
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12 eine grafische Darstellung, die die Leistung als Funktion von Grabenbreiten gemäß einer Ausführungsform darstellt, und
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13 eine Seitenquerschnittsansicht einer Siliziumstruktur mit einer Umfangsgrabenstruktur und einer internen Struktur und einer polykristallinen Siliziumauskleidung.
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Während sich die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen anbietet, wurden in den Zeichnungen spezifische Details davon beispielhaft gezeigt und werden ausführlich beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, dass keine Absicht besteht, die Erfindung auf die beschriebenen bestimmten Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz besteht die Absicht, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abzudecken, die in den Gedanken und Schutzbereich der Erfindung fallen, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen betreffen vergrabene Strukturen für Siliziumeinrichtungen, die Lichtwege abändern und dadurch Lichtfallen ausbilden können. Ausführungsformen der Lichtfallen können mehr Licht zu einer lichtempfindlichen Oberfläche der Einrichtung koppeln, anstatt das Licht zu reflektieren oder es tiefer innerhalb der Einrichtung zu absorbieren, was die Effizienz erhöhen, das Einrichtungstiming verbessern und andere Vorteile bereitstellen kann, die der Fachmann versteht.
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In einer Ausführungsform umfasst eine Einrichtung eine Siliziumstruktur mit einer Oberfläche, die Lichtstrahlen ausgesetzt werden soll; und eine Lichtfallenstruktur, die innerhalb der Siliziumstruktur von der Oberfläche beabstandet ausgebildet ist und mehrere Lichtfallenelemente beieinander umfasst und wobei jede eine Oberfläche nahe und nicht-parallel zu der Oberfläche aufweist, die Lichtstrahlen ausgesetzt werden soll.
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In einer Ausführungsform ist eine Lichtfallenstruktur innerhalb einer Siliziumstruktur vergraben und umfasst mehrere Lichtfallenelemente beieinander und jeweils mit einer Oberfläche nahe und nicht-parallel zu einer Oberfläche der Siliziumstruktur, die Lichtstrahlen ausgesetzt werden soll.
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Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren das Bereitstellen einer Siliziumstruktur und Ausbilden mehrerer Lichtfallenelemente beieinander in der Siliziumstruktur und jeweils mit einer Oberfläche, die nahe und nicht-parallel zu einer Oberfläche der Siliziumstruktur ist, die Lichtstrahlen ausgesetzt werden soll.
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Ein Problem, das durch den Einsatz von Lichtfallen, wie hierin beschrieben, entsteht, besteht darin, dass die Lichterzeugung von freien Ladungsträgern in einer dünnen Schicht mit einer Dicke von einigen wenigen Mikrometern an der Oberfläche konzentriert ist. Die Verwendung von nicht-planparallelen Strukturelementen zum Erzeugen einer Totalreflexion von Licht an Grenzflächen der Strukturen lenkt Lichtstrahlen derart, dass sie sich in Wegen ausbreiten können, die fast parallel zur Chipoberfläche verlaufen. Dies kann dazu führen, dass Lichtstrahlen auf Grenzflächen zwischen Pixeln unter Winkeln unter dem Grenzwinkel für die Totalreflexion treffen, und kann somit zu optischem Nebensprechen zwischen benachbarten Pixeln führen.
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Eine elektronische Siliziumeinrichtung definiert eine Grabenstruktur, die sich nahe dem Umfang eines Pixels befindet. Ein Graben befindet sich an oder nahe dem Pixelumfang und kann mit einer polykristallinen Siliziumauskleidung ausgekleidet sein, mit der ein elektrischer Kontakt hergestellt werden kann und die gemäß einer Ausführungsform mit einem thermischen Oxid überwachsen ist. Der Umfangsgraben kann auf einer Oberseite davon beispielsweise durch den Einsatz eines HDP-Oxidabscheidungsprozesses gekapselt werden. Der Graben erfüllt sowohl optische als auch elektrische Funktionen. Wegen der polykristallinen Siliziumauskleidung, mit der ein Kontakt hergestellt werden kann, kann der Graben das Rekombinationsverhalten an einer Grabenwand beeinflussen. Je nach der angelegten Spannung kann eine Akkumulationsschicht oder eine Inversionsschicht nahe der Grabenwand entstehen. Falls das lichtempfindliche Element seitlich passiviert werden soll, sorgt die Anwesenheit der Akkumulationsschicht für eine reduzierte Oberflächenrekombinationsrate.
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Ein optischer Effekt des Grabens ist die Unterdrückung von optischem Nebensprechen zwischen benachbarten Pixeln. Fast alle einfallenden Lichtstrahlen werden totalreflektiert, wenn sie auf die Grabenhohlraumgrenzfläche treffen. Der Übergang von einem optischen Medium mit einem recht hohen Brechungsindex zu einem Medium mit einem Brechungsindex etwa gleich eins führt zu einem kleinen Grenzwinkel von etwa sechszehn Grad für Totalreflexion. Dementsprechend werden Strahlungskomponenten, die sich fast parallel zur vorderen Oberfläche der elektronischen Einrichtung ausbreiten, innerhalb des Pixels zurückgehalten und beeinflussen nicht benachbarte Pixel. Die Breite des Luftspalts des Grabens beeinflusst die Effizienz der Eliminierung des optischen Nebensprechens. Kleine Spaltbreiten können den Durchtritt einer gewissen Lichtmenge gestatten. Gemäß einer Ausführungsform kann die Spaltbreite sogar im Bereich von dem Ein- bis Dreifachen der Wellenlänge des einfallenden Lichts liegen.
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Bei einer Ausführungsform enthält eine optoelektronische Struktur einen Umfangsgraben, der elektrische und optische Effekte liefert. Die Grabenstruktur kann eine elektrisch leitende Auskleidung und einen Hohlraum darin enthalten. Dies führt zu einer verstellbaren elektrischen Rekombinationsaktivität an der Grenzfläche und einem kleinen Grenzwinkel für Totalreflexion einfallender Strahlen.
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Gemäß einer Ausführungsform enthält eine fotoelektronische Einrichtung darauf oder darin ausgebildete pyramidenförmige Facetten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält im Fall eines maskierten Strukturprozesses eine fotoelektronische Einrichtung eine invertierte Pyramide oder Dachstrukturen darauf oder darin. Die Dachstrukturen können eine lange Achse aufweisen, die in mehreren Dachstrukturen parallel verläuft.
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Bei einer weiteren Ausführungsform enthält eine fotoelektronische Einrichtung eine Dachstruktur, die Licht brechend umlenkt, und eine tiefere Hohlraumstruktur mit einer Grenzfläche, die Totalreflexion für Licht zurück zur Dachstruktur bewirkt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält eine fotoelektronische Struktur mehrere Lichtfallenelemente mit einer Oberfläche nicht-parallel zu der Oberfläche, die Lichtstrahlen ausgesetzt werden soll, die ankommendes Licht durch Totalreflexion umlenken, und eine tiefer angeordnete interne Struktur mit einer Grenzfläche, die Licht durch Totalreflexion nach oben umlenkt.
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Gemäß einer Ausführungsform können interne Strukturen derart angeordnet sein, dass sich eine Dachstruktur mit vielen optischen Facetten mit einer langen Achse in einer ersten Richtung und mit einer tiefer befindlichen röhrenförmigen Struktur mit vielen länglichen Röhren tiefer in der fotoelektronischen Einrichtung befindet und orthogonal oder anderweitig nicht-parallel zur langen Achse der Dachstruktur verläuft.
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Gemäß einer Ausführungsform weist eine Siliziumstruktur eine freiliegende Oberfläche auf, die Lichtstrahlen ausgesetzt werden soll; einen fotoelektrisch aktiven Abschnitt, der sich unter der freiliegenden Oberfläche innerhalb der Siliziumstruktur befindet; und eine interne Struktur, die sich unter dem aktiven Abschnitt befindet, wobei die interne Struktur eine Grenzflächenoberfläche allgemein parallel zur freiliegenden Oberfläche aufweist, an der die Totalreflexion von Lichtstrahlen derart erfolgt, dass mindestens einige der Lichtstrahlen zum fotoelektrisch aktiven Abschnitt umgelenkt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist eine Siliziumstruktur eine freiliegende Oberfläche auf, die Lichtstrahlen ausgesetzt werden soll, wobei die Oberfläche eine freiliegende Oberflächenebene aufweist, wobei die freiliegende Oberfläche brechende Facetten definiert, die so abgewinkelt sind, dass sie nicht-parallel zur Oberflächenebene verlaufen; einen fotoelektrisch aktiven Abschnitt, der sich unter der Oberfläche innerhalb der Siliziumstruktur befindet; und eine interne Struktur, die sich unter dem aktiven Abschnitt befindet, wobei die interne Struktur eine Grenzflächenoberfläche aufweist, wobei mindestens ein Teil der Grenzflächenoberfläche allgemein parallel zur freiliegenden Oberfläche verläuft und an dem eine Totalreflexion von Lichtstrahlen derart erfolgt, dass mindestens einige der Lichtstrahlen zum fotoelektrisch aktiven Abschnitt umgelenkt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist eine Siliziumstruktur eine freiliegende Oberfläche auf, die Lichtstrahlen ausgesetzt werden soll; einen fotoelektrisch aktiven Abschnitt, der sich unter der Oberfläche innerhalb der Siliziumstruktur befindet; eine interne Struktur, die sich unter dem fotoelektrisch aktiven Abschnitt befindet, wobei die interne Struktur mindestens eine Grenzflächenoberfläche nicht-parallel zur freiliegenden Oberfläche aufweist, bei der Totalreflexion von Lichtstrahlen derart erfolgt, dass mindestens einige Lichtstrahlen zu dem fotoelektrisch aktiven Abschnitt, zur freiliegenden Oberfläche oder beiden umgelenkt werden; und eine Umfangsstruktur, die sich bei einem Umfang der Siliziumstruktur befindet und sich mindestens teilweise über der internen Struktur und unter der freiliegenden Oberfläche erstreckt, wobei der Umfang eine intern gerichtete Grenzfläche aufweist, in der eine Totalreflexion mindestens einiger der Lichtstrahlen erfolgt.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Ausführungsform einer in eine Siliziumstruktur 102 eingebetteten Lichtfallenstruktur 100 dargestellt. Die Siliziumstruktur 102 kann in verschiedenen Ausführungsformen Silizium umfassen oder daraus bestehen und kann bei noch weiteren Ausführungsformen anderes Material oder andere Materialien als Silizium umfassen. Die Lichtfallenstruktur 100 umfasst mehrere unmittelbar beieinander angeordnete Lichtfallenelemente 104. Die Lichtfallenelemente 104 können Längen- und/oder Breitenabmessungen von etwa 0,5 μm bis etwa 3 μm, Höhenabmessungen von etwa 1 μm bis etwa 5 μm aufweisen und können bei Ausführungsformen etwa 0,7 μm bis etwa 50 μm von einer oberen Oberfläche der Siliziumstruktur 102 angeordnet sein, wenngleich diese Abmessungen in anderen Ausführungsformen variieren können. Beispielsweise können Lichtfallenelemente 104 aus Gräben ausgebildet werden, die sich teilweise, im Wesentlichen oder ganz entlang einer Länge der Siliziumstruktur 102 erstrecken.
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Bei Ausführungsformen umfassen Lichtfallenelemente 104 Hohlräume, die mit Luft oder irgendeinem anderen geeigneten Gas oder Material gefüllt sind. Die Lichtfallenstruktur 100 kann auch ein einzelnes Lichtfallenelement 104 mit der Gesamtumrissgestalt der in 1 dargestellten Struktur umfassen, wobei aber die individuellen Hohlräume verknüpft oder verbunden sind, um eine einzelne Hohlraumstruktur auszubilden. Die Lichtfallenstruktur 100 kann eine einzelne Reihe von Lichtfallenelementen 104 oder eine Matrix aus Lichtfallenelementen umfassen, die beispielsweise vier Reihen mit jeweils acht Elementen 104 umfasst. Wenngleich in 1 so dargestellt, dass sie sich von einer Seite der Siliziumstruktur 102 zur anderen erstreckt, ist die Lichtfallenstruktur bei anderen Ausführungsformen möglicherweise nur in einem Abschnitt der Siliziumstruktur 102 ausgebildet, wie in 2 dargestellt ist.
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Bei der Ausführungsform von 1 umfassen Lichtfallenelemente 104 gekrümmte, abgerundete oder bogenförmige obere und untere Abschnitte (bezüglich der Darstellung der Zeichnung auf der Seite). Bei anderen Ausführungsformen ist möglicherweise nur die Oberseite gekrümmt und der Boden kann irgendeine andere Gestalt oder Struktur aufweisen, die beispielsweise allgemein flach ist und deshalb parallel zu einer oberen Oberfläche der Siliziumstruktur 102 verläuft. Bei noch anderen Ausführungsformen können die Lichtfallenelemente 104 andere Gestalten aufweisen, wie etwa scharf oder spitz, wie in 3 dargestellt. Allgemein ist jedoch ersichtlich, dass die Oberfläche jedes Lichtfallenelements 104 bei oder gegenüber von der oberen Oberfläche der Siliziumstruktur 102 abgewinkelt oder gekrümmt ist oder anderweitig nicht-parallel zu dieser oberen Oberfläche verläuft.
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Der jeweilige Krümmungsradius (1 und 2) oder Winkel (3) der Oberflächen der Lichtfallenelemente 104 kann bei Ausführungsformen gemäß den verwendeten Materialien, den Lichtwellenlängen und anderen Faktoren variieren. Beispielsweise weist Silizium einen relativ hohen Brechungsindex auf, wie etwa zwischen etwa 3,5 und 5,5 je nach der Wellenlänge des Lichts. Für eine Lichtwellenlänge von etwa 850 nm existiert ein Grenzwinkel von etwa 16 Grad: Alle von der Siliziumstruktur 102 auf einer Grenzfläche mit einem Vakuum oder einer Luftschicht unter einem Winkel größer als etwa 16 Grad auftreffenden Lichtstrahlen werden total reflektiert. Somit erfahren Lichtstrahlen, die in die Siliziumstruktur 102 eintreten und intern unter einem Winkel größer als 16 Grad reflektiert werden, eine Totalreflexion innerhalb der Siliziumstruktur 102. Bei anderen Ausführungsformen kann die Siliziumstruktur 102 irgendein anderes Material umfassen wie etwa Germanium, Galliumarsenid, ein anderes Halbleitermaterial der Gruppe III-V oder irgendein anderes geeignetes Material. Germanium und Galliumarsenid beispielsweise weisen hohe Brechungsindizes wie etwa Silizium auf, so dass der Totalreflexionswinkel bei diesen Ausführungsformen ebenfalls unter etwa 20 Grad liegen wird, wenngleich der Fachmann versteht, dass der Winkel gemäß den Eigenschaften des oder der verwendeten Materialien variieren kann.
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Unter Bezugnahme auf 4 wird ein auf die Siliziumstruktur 102 auftreffender Lichtstrahl 106 durch die Lichtfallenstruktur 100 zur Oberfläche 108, die eine Silizium-Luft-Grenzfläche ist, zurückreflektiert. Wegen der gewölbten Struktur der Lichtfallenelemente 104 trifft der Strahl 106 von innerhalb der Siliziumstruktur 102 mit einem Winkel α größer als etwa 16 Grad auf die Oberfläche 108. Dies bewirkt, dass der Strahl 106 zur Lichtfallenstruktur 100 zurückreflektiert wird, was wiederum bewirkt, dass der Strahl 106 die Oberfläche 108 unter einem Winkel größer als etwa 16 Grad trifft und intern reflektiert wird. Diese durch Verändern des Wegs des Lichtstrahls 106 durch die Lichtfallenstruktur 100 bewirkte interne Reflexion kann die Effizienz der Einrichtung verbessern, weil ein größerer Teil des auf die Einrichtung auffallenden Lichts von der Einrichtung verwendet werden kann, wie etwa durch Koppeln von mehr Licht zu einer Lichtoberfläche der Einrichtung anstatt extern reflektiert zu werden.
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Die Ausführungsform von 3 kann auch Vorteile bereitstellen. Beispielsweise können die scharfen Lichtfallenelemente 104 von 3 effizienter sein, indem sie einen kleineren Abschnitt jedes Elements 104 präsentieren, was bewirken würde, dass das Licht extern reflektiert wird. Mit anderen Worten wird die die eigentliche Spitze der Lichtelemente 104 treffende Anzahl von Lichtstrahlen allgemein sehr klein sein, so dass mehr Lichtstrahlen intern reflektiert werden, ähnlich wie in 4 dargestellt.
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Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 5A–5D ein beispielhafter Prozess zum Ausbilden der Lichtfallenstruktur 100 dargestellt. Bei einer Ausführungsform kann ein Venezia-Prozess zum Ausbilden von Hohlräumen in monokristallinem Silizium verwendet werden, wenngleich in dieser und anderen Ausführungsformen andere Prozesse verwendet werden können. In 5A wird eine Siliziumstruktur 102 wie etwa ein Siliziumwafer bereitgestellt. In 5B wird mindestens ein Graben 110 in die Siliziumstruktur 102 geätzt. Die Siliziumstruktur 102 wird dann einer Wasserstoffatmosphäre und einem Aufschmelzprozess oder Epitaxieschritt ausgesetzt, was zu der in 5C dargestellten Silizium-auf-Nichts-Struktur 102 führt, in der Lichtfallenelemente 104 aus jedem der mindestens einen Gräben 110 ausgebildet worden sind. 5D zeigt ein Beispiel einer finalen lichtempfindlichen Struktur 112 wie etwa einer Fotodiode nach der Ausbildung eines Fotodetektors 114 zwischen der Lichtfallenstruktur 100 und der Oberfläche 108. Wie in 5D dargestellt, bildet die lichtempfindliche Struktur 112 nur einen Abschnitt der Oberfläche 108, wie etwa ein lichtempfindliches „Fenster“ der Einrichtung, wenngleich dies bei anderen Ausführungsformen so variieren kann, dass sie eine ganze Oberfläche oder mehrere lichtempfindliche Strukturen enthält, die an einer Oberfläche oder einer anderen Anordnung beabstandet sind.
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Der Prozess kann für andere Ausführungsformen wie etwa die scharfe Lichtfallenstruktur 100 von 3 variieren. Bei einer derartigen Ausführungsform beispielsweise können die Siliziumstruktur 102 und die Gräben 110 mit einer alkalischen Lösung behandelt werden, um das Silizium anisotrop zu ätzen, wodurch die (111)-Oberfläche des Siliziums offengelegt wird, was zu den Spitzen von 3 führt, als der Winkel von etwa 54,7 Grad zwischen den Ebenen (100) und (111) des Siliziums der Siliziumstruktur 102. In Ausführungsformen können auch andere Oberflächen des Siliziums, wie etwa die (110)-Oberfläche verwendet werden, um verschiedene Winkel der Spitzen zu erzeugen, die mit der Kristallorientierung des Siliziums variieren, obwohl andere Winkel möglicherweise weniger effizient sind. Beispielsweise kann der Winkel zwischen etwa 50 Grad und etwa 60 Grad liegen, wie etwa zwischen etwa 53 und 56 Grad, beispielsweise etwa 54,7 Grad bei Ausführungsformen.
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Andere Merkmale und Elemente können in Ausführungsformen integriert werden. Beispielsweise und unter Bezugnahme auf 6 kann eine Dachstruktur 116 mit der Lichtfallenstruktur 100 verwendet werden, um die Quanteneffizienz weiter zu maximieren. Eine derartige Dachstruktur 116 kann in der Fotovoltaik verwendet werden, wie etwa leistungsstarken Solarzellen, und anderen Anwendungen, um Lichtstrahlen besser auf lichtempfindliche Elemente darunter zu kanalisieren oder zu fokussieren. Bei Ausführungsformen umfasst die Dachstruktur 116 mehrere invertierte Pyramiden-, Trichter- oder andere lichtfokussierende Strukturen und kann durch eine maskierte Kaliumhydroxidlösungsätzung oder einen oder mehrere andere geeigneten Prozessschritte ausgebildet werden. Die Dachstruktur 116 muss keine separate Schicht zu sein, wie dargestellt, sondern kann stattdessen ein Bereich oder ein Abschnitt der Siliziumstruktur 102 sein, der geätzt, strukturiert oder anderweitig abgeändert wird, so dass er eine oder mehrere lichtfokussierende Strukturen enthält. Bei einem weiteren Beispiel kann die Lichtfallenstruktur 100 eine Thermo-Oxid-Auskleidungsschicht sein, um die Grenzfläche zwischen der Oberfläche 108 und dem Substrat darunter elektrisch zu passivieren und/oder das Gebiet elektrisch von dem Substrat darunter zu isolieren. Der Einsatz der Dachstruktur 116 und/oder einer Thermo-Oxid-Auskleidungsschicht in Kombination mit einer Lichtfallenstruktur kann dadurch zu Vorteilen bei Ausführungsformen führen.
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Unter Bezugnahme auf 7 wird eine grafische Darstellung gezeigt, die die Eindringtiefe als Funktion der Wellenlänge des Lichts in eine Siliziumstruktur in Beziehung setzt. Wie zu sehen ist, nimmt die Eindringtiefe als Funktion der Wellenlänge zu. Dementsprechend dringt Infrarotlicht tiefer in die Siliziumstruktur ein, bevor es absorbiert wird, als kürzere Lichtwellenlängen. Da Infrarotlicht wegen seiner Unsichtbarkeit für das menschliche Sehen für viele Funktionen bevorzugt wird, leitet die vorliegende Erfindung Infrarotlicht in den fotoelektrisch aktiven Teil eines Siliziumsubstrats um, wodurch die Effizienz jedes Pixels gesteigert wird.
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Unter Bezugnahme auf 8 wird eine Ausführungsform einer Siliziumstruktur 150 dargestellt. Gemäß den dargestellten Ausführungsformen enthält die Siliziumstruktur 150 die freiliegende Oberfläche 152, den fotoelektrisch aktiven Abschnitt 154, die interne Struktur 156, die Grenzflächenoberfläche 158 und brechende Facetten 160. Die interne Struktur 156 kann als ein Hohlraum ausgebildet werden, der durch Anwenden eines Silizium-auf-Nichts-Verarbeitungsverfahrens generiert wird. Brechende Facetten 160 der freiliegenden Oberfläche 152 können durch anisotropes Ätzen mit einer stark alkalischen Substanz beispielsweise KOH oder TMAH strukturiert werden. Dementsprechend können brechende Facetten 160 als pyramidenförmige Facetten oder durch Anwenden eines maskierten Strukturierungsprozesses als invertierte Pyramiden- oder Dachstrukturen ausgebildet werden. Bei der dargestellten Ausführungsform brechen brechende Facetten 160 den Lichtstrahl 162, wobei sie ihn unter einem Winkel zur freiliegenden Oberfläche 152 in Richtung auf die Grenzflächenoberfläche 158 lenken, wo er an der Grenzflächenoberfläche 158 totalreflektiert und zu den brechenden Facetten 160 umgelenkt wird, wo er von der freiliegenden Oberfläche 152 nach außen zurückgebrochen wird. Trotz der einfachen Konfiguration der in 8 dargestellten Ausführungsform wird der Lichtweg um einen Faktor von etwa 2,5 verlängert, falls Siliziumoxid als Füllstoff in der Dachstruktur 164 von brechenden Facetten 160 an der freiliegenden Oberfläche 152 verwendet wird. Falls invertierte Pyramiden verwendet werden, steigt der Lichtwegverlängerungsfaktor über 2,5.
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Unter Bezugnahme auf 9 enthält eine weitere dargestellte Ausführungsform streuende Facetten 168 an der Grenzflächenoberfläche 158 zwischen der Siliziumstruktur 150 und streuenden Facettenhohlräumen 170 und präsentiert eine freiliegende planare Oberfläche 172. Die die Grenzflächenoberfläche 158 präsentierende interne Struktur 156 ist allgemein ähnlich der oben beschriebenen. Streuende Facettenhohlräume 170 können sich über oder innerhalb des fotoelektrisch aktiven Abschnitts 154 befinden. Streuende Facetten 168 sind nicht-parallel zur freiliegenden planaren Oberfläche 172 orientiert. Wie in 9 dargestellt, verläuft der Lichtstrahl 174 durch die freiliegende planare Oberfläche 172 und wird an streuenden Facetten 168 totalreflektiert. Die Totalreflexion kann auch an der Grenzflächenoberfläche 158 und der freiliegenden planaren Oberfläche 172 auftreten, wenn der Lichtstrahl 174 die Oberflächen unter einem größeren Winkel als den Grenzwinkel der Totalreflexion für Silizium trifft. Wie oben erörtert, beträgt der Grenzwinkel etwa 16°. Dementsprechend kann der Lichtstrahl 174 mehrere Totalreflexionen an den streuenden Facetten 168, der Unterseite der freiliegenden planaren Oberfläche 172 und an der Grenzflächenoberfläche 158 nach sich ziehen.
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Dementsprechend tritt der Lichtstrahl 174 mehrfach durch den fotoelektrisch aktiven Abschnitt 154 hindurch, wodurch er weitere fotoelektrische Aktivität erzeugt, bis die Energie des Lichtstrahls 174 absorbiert ist oder bis er eine interne Oberfläche der Siliziumstruktur 166 unter einem Winkel trifft, der kleiner ist als der Grenzwinkel, und die Siliziumstruktur 166 verlässt.
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Unter Bezugnahme auf 10 wird eine weitere Ausführungsform dargestellt. Gemäß der dargestellten Ausführungsform enthält die Siliziumstruktur 166 eine weitere Konfiguration der internen Struktur 156. Die interne Struktur 156 kann als Schicht 176 aus benachbarten Röhren 178 gebildet werden. Die benachbarten Röhren 178 weisen eine lange Achse 180 auf, die senkrecht zur Zeichnungsebene der dargestellten Ausführungsform verläuft. Die interne Struktur 156 einschließlich benachbarter Röhren 178 kann in Kombination mit der Dachstruktur 164 genutzt werden, wie in 8 dargestellt. Wie oben erörtert, verläuft die lange Achse 180 benachbarter Röhren 178 senkrecht zur Seite in 10. Bei Nutzung mit der Dachstruktur 174 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel die Dachstruktur 164 eine in 10 dargestellte lange Achse 182 auf. Dementsprechend können die lange Achse 180 von benachbarten Röhren 178 und die lange Achse 182 der Dachstruktur 164 orthogonal zueinander oder anderweitig nicht-parallel zueinander orientiert sein.
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Unter besonderer Bezugnahme auf 13 enthält gemäß der dargestellten Ausführungsform die Siliziumstruktur 184 die freiliegende Oberfläche 186, den fotoelektrisch aktiven Abschnitt 188, die Umfangsstruktur 190 und die interne Struktur 192.
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Die Umfangsstruktur 190 befindet sich gemäß der dargestellten Ausführungsform allgemein beim Umfang 194 der Siliziumstruktur 184. Dementsprechend umgibt die Umfangsstruktur 190 den fotoelektrisch aktiven Abschnitt 188. Außerdem grenzt die interne Struktur 192 an einen Boden des fotoelektrisch aktiven Abschnitts 188. Die Umfangsstruktur 190 kann die Grabenstruktur 196 präsentieren. Dementsprechend begrenzt im Fall eines Pixels die Grabenstruktur 196 den Umfang 194 des Pixels.
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Gemäß einer Ausführungsform enthält die Grabenstruktur 196 weiterhin eine polykristalline Siliziumauskleidung 198 und kann eine Kapselung 200 an einer Oberseite davon enthalten. Die polykristalline Siliziumauskleidung 198 ist so strukturiert, dass damit ein elektrischer Kontakt hergestellt werden kann. Gemäß einer Ausführungsform kann über die polykristalline Siliziumauskleidung 198 ein thermisches Oxid wachsen. Die Kapselung 200 befindet sich an einer Oberseite der Grabenstruktur 196 und kann beispielsweise durch Anwenden eines HDP-Oxidabscheidungsprozesses ausgebildet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform erfüllt die Grabenstruktur 196 mindestens zwei Funktionen. Zuerst ist es wegen der polykristallinen Siliziumauskleidung 198, mit der ein Kontakt hergestellt werden kann, möglich, das Rekombinationsverhalten an der Grabengrenzfläche 202 zu beeinflussen. Je nach der angelegten Spannung kann eine Akkumulationsschicht oder eine Inversionsschicht hergestellt werden. Falls die Siliziumstruktur 150 seitlich passiviert werden soll, sorgt die Akkumulationsschicht für eine reduzierte Oberflächenrekombinationsrate. Unter Bezugnahme auf 11 veranschaulicht die dargestellte grafische Darstellung diesen Effekt. Die Akkumulation von Majoritätsladungsträgern führt zu einem höheren Fotostrom bei einer Spannung von –2 Volt. Bei einer gegebenen positiven Spannung an der Grabenelektrode und einem p-dotierten Volumen wird eine Inversionsschicht hergestellt. In diesem Fall führt eine Verbindung der Inversionsschicht und eines n-dotierten Emitters ebenfalls zu vergrößerter Fotoeffizienz. Hier wird die Inversionsschicht Teil des Emitters, und Elektron-Loch-Paare werden getrennt, bevor sie die rekombinierende Grabenoberfläche erreichen.
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Eine zweite Funktion der Umfangsstruktur 190 und der Grabenstruktur 196 ist die Unterdrückung des optischen Nebensprechens zwischen benachbarten Pixeln aufgrund der Totalreflexion an der Grabengrenzfläche 202. Wie bekannt ist, führt der Übergang an der Grenzfläche von einem optisch dichten Medium, hier Silizium mit einem Brechungsindex von etwa 3,6, zu einem optisch weniger dichten Medium mit einem Brechungsindex, der etwa gleich eins ist, zu einem kleinen Grenzwinkel von etwa 16° von einer Normalen zu einer Oberfläche für Totalreflexion. Selbst durch die interne Struktur 192 relativ nahe zu parallel zur freiliegenden Oberfläche 186 umgelenkte Komponenten des Lichtstrahls 204 werden innerhalb der Siliziumstruktur 184 gehalten und am Weitergehen in benachbarte Pixel gehindert.
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Insbesondere unter Bezugnahme auf 12 ist zu verstehen, dass ein optisches Tunneln im Fall einer kleinen Breite 206 der Grabenstruktur 196 auftreten kann. Wie in der in 12 gezeigten grafischen Darstellung zu sehen ist, ist das Ausmaß an übertragener Strahlung eine inverse Funktion der Lichtwellenlänge und eine inverse Funktion der Breite 206. Die grafische Darstellung in 12 zeigt eine die Grabenstruktur 196 betreffende, experimentell bestimmte Beziehung. Wenn eine Breite 206 der Grabenstruktur 196 von etwa einer Wellenlänge verwendet wird, wird die Lichtübertragung um etwa zwei Größenordnungen gedämpft.
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Dementsprechend ist gemäß einer Ausführungsform die Breite 206 größer als etwa eine Wellenlänge des Lichts, das total reflektiert werden soll. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Breite 206 größer als zwei Wellenlängen des Lichts, das total reflektiert werden soll, und gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Breite 206 größer als etwa drei Wellenlängen des Lichts, das total reflektiert werden soll.
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Unter Bezugnahme auf 13 enthält die interne Struktur 192 reflektierende Facetten 208. Die reflektierenden Facetten 208 sind ähnlich wie andere, anderweitig in dieser Anmeldung erörterte Strukturen abgewinkelt. Bei den reflektierenden Facetten 208 tritt eine Totalreflexion auf, die bewirkt, dass mindestens einige der Lichtstrahlen 204 die Grabengrenzfläche 202 unter einem Winkel größer als der Grenzwinkel für Totalreflexion treffen und einige Lichtstrahlen 204 die freiliegende Oberfläche 186 unter einem Winkel größer als der Grenzwinkel treffen. Somit blockiert die dargestellte Ausführungsform größtenteils eine optische und elektrische Wechselwirkung zwischen benachbarten Pixeln. Das Halten von Lichtstrahlen innerhalb jedes Pixels führt zu größerer Absorption von Lichtenergie und größerer Effizienz.
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Ausführungsformen stellen dadurch verbesserte Lichtfallenstrukturen für Siliziumeinrichtungen bereit, die Lichtwege abändern können. Ausführungsformen der Lichtfallen können mehr Licht in eine lichtempfindliche Oberfläche der Einrichtung koppeln, anstatt das Licht zu reflektieren oder es tiefer innerhalb der Einrichtung zu absorbieren, was die Effizienz erhöhen, das Einrichtungstiming verbessern und andere Vorteile, die der Fachmann versteht, liefern kann.
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Verschiedene Ausführungsformen von Systemen, Einrichtungen und Verfahren wurden hierin beschrieben. Diese Ausführungsformen werden nur beispielhaft angegeben und sollen den Schutzbereich der Erfindung nicht beschränken. Es versteht sich zudem, dass die verschiedenen Merkmale, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsformen, die beschrieben worden sind, auf unterschiedliche Weisen kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsformen herzustellen. Zudem wurden zwar verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Konfigurationen und Orte usw. zur Verwendung mit offenbarten Ausführungsformen beschrieben, doch können zusätzlich zu den offenbarten andere verwendet werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu überschreiten.
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Der Fachmann auf den entsprechenden Gebieten erkennt, dass die Erfindung weniger Merkmale umfassen kann, als in irgendeiner individuellen, oben beschriebenen Ausführungsform dargestellt. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als eine erschöpfende Präsentation der Arten gedacht, auf die die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Dementsprechend sind die Ausführungsformen nicht gegenseitig ausschließende Kombinationen von Merkmalen; vielmehr kann die Erfindung eine Kombination aus verschiedenen individuellen Merkmalen umfassen, die unter verschiedenen individuellen Ausführungsformen ausgewählt sind, wie der Durchschnittsfachmann versteht. Zudem können bezüglich einer Ausführungsform beschriebene Elemente selbst dann in anderen Ausführungsformen implementiert werden, wenn sie nicht in diesen Ausführungsformen beschrieben sind, sofern nicht anderweitig etwas angegeben ist. Wenngleich sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann, können andere Ausführungsformen ebenfalls eine Kombination des abhängigen Anspruchs wie den Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder eine Kombination aus einem oder mehreren Merkmalen mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen beinhalten. Solche Kombinationen werden hierin vorgeschlagen, sofern nicht festgestellt wird, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin sollen auch Merkmale eines Anspruchs in einem beliebigen anderen unabhängigen Anspruch enthalten sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht worden ist.
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Jede Aufnahme durch Bezugnahme von Dokumenten oben ist derart beschränkt, dass kein Gegenstand aufgenommen wird, der der expliziten Offenbarung hierin zuwiderläuft. Jede Aufnahme durch Bezugnahme von Dokumenten oben ist weiterhin derart beschränkt, dass keine in den Dokumenten enthaltenen Ansprüche durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind. Jede Aufnahme durch Bezugnahme von Dokumenten oben ist noch weiter derart beschränkt, dass alle in den Dokumenten gelieferten Definitionen nicht durch Bezugnahme aufgenommen sind, sofern sie hier nicht ausdrücklich enthalten sind.
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Zu Zwecken der Auslegung der Ansprüche für die vorliegende Erfindung ist ausdrücklich beabsichtigt, dass die Bestimmungen von Abschnitt 112, sechster Absatz von 35 U.S.C., nicht geltend gemacht werden sollen, sofern nicht die spezifischen Ausdrücke „Mittel für“ oder „Schritt für“ in einem Anspruch angeführt werden.
