DE102014223962A1 - Sensor pixel for detecting infrared radiation and method for operating the same - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Sensorpixel (100) zum Detektieren von Infrarotstrahlung (102), wobei das Sensorpixel (100) eine thermisch von einem Substrat (204) des Sensorpixels (100) entkoppelte Absorberinsel (104) zum Absorbieren der Infrarotstrahlung (102) und eine Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106) aufweist, die Bestandteil der Absorberinsel (104) ist und dazu ausgebildet ist, eine Temperatur (112) der Absorberinsel (104) in einem elektrischen Signal (110) abzubilden.The invention relates to sensor pixels (100) for detecting infrared radiation (102), wherein the sensor pixel (100) thermally decouples from a substrate (204) of the sensor pixel (100) absorber island (104) for absorbing the infrared radiation (102) and a metal Insulator semiconductor structure (106) which is part of the absorber island (104) and is adapted to image a temperature (112) of the absorber island (104) in an electrical signal (110).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensorpixel zum Detektieren von Infrarotstrahlung, auf ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorpixels zum Detektieren von Infrarotstrahlung, auf ein entsprechendes Steuergerät sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.The present invention relates to a sensor pixel for detecting infrared radiation, to a method for operating a sensor pixel for detecting infrared radiation, to a corresponding control device and to a corresponding computer program.

Um Infrarotstrahlung zu registrieren, gibt es zwei Sensorprinzipien. Das erste Sensorprinzip basiert direkt auf der Detektion des Photons unter Verwendung eines gekühlten Detektors. Dadurch kann eine sehr hohe Genauigkeit erreicht werden, allerdings ist der Aufwand und Energieverbrauch gerade für mobile Geräte nicht akzeptabel und zu kostspielig. Das zweite Sensorprinzip basiert auf dem bolometrischen Prinzip, also der Absorption der Photonen und die Detektion der dabei entstehenden Wärme.To register infrared radiation, there are two sensor principles. The first sensor principle is based directly on the detection of the photon using a cooled detector. As a result, a very high accuracy can be achieved, but the effort and energy consumption, especially for mobile devices is unacceptable and too expensive. The second sensor principle is based on the bolometric principle, ie the absorption of the photons and the detection of the resulting heat.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Sensorpixel zum Detektieren von Infrarotstrahlung, ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorpixels zum Detektieren von Infrarotstrahlung, ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, with the approach presented here, a sensor pixel for detecting infrared radiation, a method for operating a sensor pixel for detecting infrared radiation, a control unit which uses this method, and finally a corresponding computer program according to the main claims are presented. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.

Gemäß des Planckgesetzes emittiert jedes Objekt mit einer Temperatur um Raumtemperatur, also in etwa 300 Kelvin (300 K), elektromagnetische Strahlung mit einem Schwerpunkt im Ferninfrarotbereich bei Wellenlängen von ca. 8 µm bis 14 µm. In diesem Bereich ist die Absorption in der Atmosphäre nahezu vernachlässigbar, sodass Sensoren die Strahlung auch über große Entfernungen detektieren können und so ein Rückschluss auf die Objekttemperatur gezogen werden kann.According to the Planck Law, each object with a temperature around room temperature, ie in about 300 Kelvin (300 K), emits electromagnetic radiation with a focus in the far infrared range at wavelengths of about 8 microns to 14 microns. In this area, the absorption in the atmosphere is almost negligible, so that sensors can detect the radiation even over long distances and thus a conclusion on the object temperature can be drawn.

Das bolometrische Prinzip ermöglicht ein ungekühltes Betreiben eines Temperatursensors. Die Wandlung des Temperatursignals in ein elektrisch auswertbares Signal kann resistiv, mit Thermoelementen, pyroelektrisch oder mit geeigneten Bauelementen wie z. B. Dioden erfolgen. Da Dioden keine Schaltmatrix zum Auswählen eines einzelnen Pixels benötigen sowie auch für Temperaturgleichsignale empfindlich sind, können sie in Mikrobolometern eingesetzt werden.The bolometric principle allows uncooled operation of a temperature sensor. The conversion of the temperature signal into an electrically evaluable signal can be resistive, with thermocouples, pyroelectric or with suitable components such. As diodes occur. Since diodes do not require a switching matrix to select a single pixel and are also sensitive to temperature equalization signals, they can be used in microbolometers.

Da Dioden in einer Spannungsrichtung sperren, fließt bei geeignetem Anschluss der Strom nur durch jeweils ein Pixel des Arrays. Einige Prinzipien, wie beispielsweise pyroelektrisch reagieren nur auf Temperaturänderungen. Um ein Wärmebild zu erzeugen, wird dabei ein "Chopper" eingesetzt, der das Pixel immer wieder abdunkelt.Since diodes block in a voltage direction, the current flows through only one pixel of the array with a suitable connection. Some principles, such as pyroelectric, only react to temperature changes. To create a thermal image, a "chopper" is used, which darkens the pixel again and again.

Um die Sensorempfindlichkeit zu erhöhen, kann entweder das Design des MEMS-Pixels optimiert werden oder die Sensitivität des Bauelementes erhöht werden. Im Falle von Dioden ist Letztere technologisch nur in Grenzen einstellbar. Aus diesem Grund werden mehrere Dioden in Serienschaltung kombiniert, um die Temperatursensitivität additiv zu erhöhen. Dadurch ergibt sich eine Temperatursensitivität von ca. –2 mV/K pro Diode bei konstantem Strom in der Größenordnung µA.In order to increase the sensor sensitivity, either the design of the MEMS pixel can be optimized or the sensitivity of the component can be increased. In the case of diodes, the latter is technologically adjustable only within limits. For this reason, several diodes are combined in series to additively increase the temperature sensitivity. This results in a temperature sensitivity of about -2 mV / K per diode at constant current in the order of μA.

Dies begrenzt zwangsläufig auch das Miniaturisierungspotenzial des Sensors. Da die Optik, beispielsweise aus gefrästen Germaniumlinsen, Hauptkostentreiber des Systems ist, besteht ein großes Interesse an kleineren Pixeln. Bei gleicher Auflösung, also gleicher Anzahl an Pixeln, kann dann eine kleinere und damit günstigere Optik verwendet werden.This inevitably also limits the miniaturization potential of the sensor. Since the optics, for example of milled germanium lenses, is the main cost driver of the system, there is a great interest in smaller pixels. With the same resolution, ie the same number of pixels, then a smaller and therefore cheaper optics can be used.

Der hier vorgestellte Ansatz zeigt eine Möglichkeit auf, das Sensorsignal mittels Metall-Isolator-Halbleiter-Kapazitäten zu generieren. Der große Vorteil besteht hier in einem sehr hohen Miniaturisierungspotenzial bei gleichzeitig einer um drei Größenordnungen erhöhten Temperatursensitivität im Vergleich zu den bisher eingesetzten pn-Dioden.The approach presented here shows a possibility of generating the sensor signal by means of metal-insulator-semiconductor capacitances. The great advantage here is a very high miniaturization potential with simultaneously increased by three orders of magnitude temperature sensitivity compared to the previously used pn diodes.

Der hier vorgestellte Sensor basiert auf dem temperaturabhängigen Tunnelstrom eines Metall-Isolator-Halbleiter (Metal-Insulator-Semiconductor, MIS) Schichtstapels. Dabei kann der Isolator aus dem Oxid des Halbleiters bestehen und ist bevorzugt dünner als ca. 5 nm. Das Materialsystem ist dann beispielsweise Si, SiO2 und ein Metall, wie beispielsweise AI. Bei Materialen mit höherer Dielektrizitätszahl (high k Materialien), kann die Schicht entsprechend dicker sein. Neben der problemlosen vollständigen Integration in den Chip ist der hier vorgestellte Sensor durch eine um drei Größenordnungen höhere Temperatursensitivität im Vergleich zu konventionellen Dioden gekennzeichnet.The sensor presented here is based on the temperature-dependent tunnel current of a metal-insulator-semiconductor (Metal-Insulator-Semiconductor, MIS) layer stack. In this case, the insulator can consist of the oxide of the semiconductor and is preferably thinner than approximately 5 nm. The material system is then, for example, Si, SiO 2 and a metal, such as Al, for example. For materials with a higher dielectric constant (high k materials), the layer may be correspondingly thicker. In addition to the trouble-free full integration into the chip is the sensor presented here is characterized by a three orders of magnitude higher temperature sensitivity compared to conventional diodes.

Der hier vorgestellte Sensor ist für den Einsatz in Ferninfrarot Mikrobolometern prädestiniert. Durch die Verwendung von CMOS kompatiblen Materialien und das hohe Miniaturisierungspotenzial entspricht er dem aktuell verfolgten low-cost Ansatz bei gleichzeitig besserer Performance als die aktuell eingesetzten pn-Dioden. Durch den deutlich geringeren elektrischen Arbeitspunkt von kleiner 1 V im Vergleich zu n mal 0,7 V bei n Dioden in Serie, besteht darüber hinaus die Möglichkeit, einen low-power ASIC Prozess einzusetzen. Dies ist vor allem für mobile Anwendungen mit begrenztem Energiespeicher vorteilhaft.The sensor presented here is predestined for use in far-infrared microbolometers. By using CMOS-compatible materials and the high miniaturization potential, it corresponds to the currently pursued low-cost approach with better performance than the currently used pn-diodes. Due to the significantly lower electrical operating point of less than 1 V compared to n times 0.7 V with n diodes in series, there is also the option to use a low-power ASIC process. This is particularly advantageous for mobile applications with limited energy storage.

Aufgrund des enormen Miniaturisierungspotenzials der Bauelemente sind für die Pixelgröße abgesehen von der Absorptionsfläche quasi keine Grenzen gesetzt. Eine hohe Temperaturempfindlichkeit ist bei geschickter Auswertung nicht abhängig von der Größe des Bauelementes. Dadurch ergeben sich Sensoren mit sehr kleiner thermischer Masse, die demzufolge sehr kurze Reaktionszeiten aufweisen. Dies ist vor allem für die Anwendung im Automotive-Umfeld vorteilhaft.Due to the enormous miniaturization potential of the components, virtually no limits are set for the pixel size apart from the absorption surface. A high temperature sensitivity is not dependent on the size of the component with skillful evaluation. This results in sensors with very small thermal mass, which consequently have very short reaction times. This is particularly advantageous for use in the automotive industry.

Es wird ein Sensorpixel zum Detektieren von Infrarotstrahlung vorgestellt, wobei das Sensorpixel die folgenden Merkmale aufweist:
eine thermisch von einem Substrat des Sensorpixels entkoppelte Absorberinsel zum Absorbieren der Infrarotstrahlung; und
eine Metall-Isolator-Halbleiterstruktur, die Bestandteil der Absorberinsel ist und dazu ausgebildet ist, eine Temperatur der Absorberinsel in einem elektrischen Signal abzubilden.
A sensor pixel for detecting infrared radiation is presented, wherein the sensor pixel has the following features:
an absorber island thermally decoupled from a substrate of the sensor pixel for absorbing the infrared radiation; and
a metal-insulator-semiconductor structure, which is part of the absorber island and is adapted to image a temperature of the absorber island in an electrical signal.

Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorpixels zum Detektieren von Infrarotstrahlung vorgestellt, wobei das Sensorpixel eine thermisch von einem Substrat des Sensorpixels entkoppelte Absorberinsel mit einer Metall-Isolator-Halbleiterstruktur aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Auswerten eines elektrischen Signals der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift, um eine Temperatur der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur zu bestimmen; und
Bereitstellen einer Temperaturinformation, welche die Temperatur der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur repräsentiert.
Furthermore, a method for operating a sensor pixel for detecting infrared radiation is presented, wherein the sensor pixel has an absorber island thermally decoupled from a substrate of the sensor pixel with a metal-insulator-semiconductor structure, the method comprising the following steps:
Evaluating an electrical signal of the metal-insulator-semiconductor structure using a processing rule to determine a temperature of the metal-insulator-semiconductor structure; and
Providing temperature information representing the temperature of the metal-insulator-semiconductor structure.

Es kann mit einem konstanten Stromfluss des elektrischen Signals ausgewertet werden, um eine Temperaturempfindlichkeit zu erhöhen. Alternativ oder ergänzend kann mit einer konstanten Spannung des elektrischen Signals ausgewertet werden, um einen Temperaturmessbereich zu vergrößern. Damit kann an einem Sensorpixel gemäß dem hier vorgestellten Ansatz je nach Bedarf mit angepassten Messabläufen gemessen werden.It can be evaluated with a constant current flow of the electrical signal to increase temperature sensitivity. Alternatively or additionally, can be evaluated with a constant voltage of the electrical signal to increase a temperature measuring range. This can be measured at a sensor pixel according to the approach presented here as needed with adapted measurement sequences.

Unter Infrarotstrahlung kann elektromagnetische Strahlung verstanden werden, die eine größere Wellenlänge aufweist als sichtbares Licht. Ein Sensorpixel kann eine kleinste Detektoreinheit eines Sensors für die Infrarotstrahlung sein. Der Sensor kann in Verbindung mit einer bildformenden Optik bildgebend sein. Der Sensor kann durch die Optik geformte Infrarotstrahlung in einer Bildinformation abbilden. Eine Absorberinsel kann eine Absorptionsfläche für die Infrarotstrahlung bereitstellen. Eine Metall-Isolator-Halbleiterstruktur kann ein Halbleiterbauelement sein. Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur übereinander angeordnete Schichten aufweisen.Infrared radiation can be understood as electromagnetic radiation that has a greater wavelength than visible light. A sensor pixel may be a smallest detector unit of a sensor for the infrared radiation. The sensor may be imaging in conjunction with image forming optics. The sensor can image infrared radiation formed by the optics in image information. An absorber island can provide an absorption surface for the infrared radiation. A metal-insulator-semiconductor structure may be a semiconductor device. The metal-insulator semiconductor structure having stacked layers.

Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur kann eine Metallschicht, zumindest eine Isolatorschicht und eine durch die Isolatorschicht von der Metallschicht elektrisch isolierte Halbleiterschicht umfassen. Dadurch kann das Sensorpixel kostengünstig hergestellt werden.The metal-insulator semiconductor structure may comprise a metal layer, at least one insulator layer, and a semiconductor layer electrically insulated from the metal layer by the insulator layer. As a result, the sensor pixel can be produced inexpensively.

Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur kann ferner zumindest eine weitere Isolatorschicht umfassen. Die weitere Isolatorschicht kann ein anderes Isolatormaterial umfasen als die Isolatorschicht. Dabei kann die Metallschicht durch die Isolatorschicht und die weitere Isolatorschicht von der Halbleiterschicht isoliert sein. Durch die weitere Isolatorschicht kann eine verbesserte Funktionssicherheit des Sensorpixels erreicht werden.The metal-insulator-semiconductor structure may further comprise at least one further insulator layer. The further insulator layer may comprise a different insulator material than the insulator layer. In this case, the metal layer can be insulated from the semiconductor layer by the insulator layer and the further insulator layer. By the further insulator layer, an improved reliability of the sensor pixel can be achieved.

Die Absorberinsel kann ein Halbleitermaterial aufweisen, das als Halbleiterschicht der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur ausgebildet ist. Durch eine Integration der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur in die Absorberinsel kann eine mehrfache Verwendung des Halbleitermaterials der Absorberinsel erreicht werden. Das Halbleitermaterial stellt dann mechanische Eigenschaften als Trägermaterial und elektrische Eigenschaften für die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur bereit.The absorber island may comprise a semiconductor material, which is formed as a semiconductor layer of the metal-insulator-semiconductor structure. By integrating the metal-insulator-semiconductor structure into the absorber island, a multiple use of the semiconductor material of the absorber island can be achieved. The semiconductor material then provides mechanical properties as a substrate and electrical properties for the metal-insulator-semiconductor structure.

Die Metallschicht der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur kann als ein erster elektrischer Anschluss zum Abgreifen des elektrischen Signals der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur ausgebildet sein. Die Metallschicht kann als Elektrode des Halbleiterbauelements bezeichnet werden. The metal layer of the metal-insulator-semiconductor structure may be formed as a first electrical terminal for tapping the electrical signal of the metal-insulator-semiconductor structure. The metal layer may be referred to as an electrode of the semiconductor device.

Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur kann einen zweiten elektrischen Anschluss aufweisen, der durch die Halbleiterschicht von der Isolatorschicht getrennt ist. Der zweite elektrische Anschluss kann auf einer, der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur gegenüberliegenden Seite der Absorberinsel angeordnet sein oder der gleichen Seite der Absorberinsel angeordnet sein, wie die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur. Das elektrische Signal kann an den elektrischen Anschlüssen der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur abgegriffen werden.The metal-insulator-semiconductor structure may include a second electrical terminal that is separated from the insulator layer by the semiconductor layer. The second electrical connection may be arranged on a side of the absorber island opposite the metal-insulator-semiconductor structure or arranged on the same side of the absorber island as the metal-insulator-semiconductor structure. The electrical signal can be tapped at the electrical terminals of the metal-insulator-semiconductor structure.

Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur kann dreidimensional strukturiert ausgeführt sein. Durch eine Strukturierung kann eine vergrößerte Oberfläche bereitgestellt werden. Durch die vergrößerte Oberfläche kann eine Signalstärke des elektrischen Signals vergrößert werden.The metal-insulator-semiconductor structure can be configured in three dimensions. By structuring an enlarged surface can be provided. Due to the enlarged surface, a signal strength of the electrical signal can be increased.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. The approach presented here also creates a control unit which is designed to execute, to control or to implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.

Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuerund/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals as a function thereof. The control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based design, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains various functions of the control unit. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.

Tunnelbasierte CMOS-kompatible Temperatursensoren werden aktuell vor allem in hoch integrierten Schaltungen (Integrated Circuits, ICs) wie z. B. Prozessoren eingesetzt, um ortsaufgelöst eine Überhitzung des Chips zu detektieren. Vor allem durch den fortwährenden Trend der Miniaturisierung und der damit einhergehenden höheren Leistungsdichte wird ein thermisches Management erforderlich.Tunnel-based CMOS-compatible temperature sensors are currently being used mainly in highly integrated circuits (ICs), such as B. processors used to detect spatially resolved overheating of the chip. Mainly due to the ongoing trend of miniaturization and the associated higher power density, thermal management is required.

Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The approach presented here will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 ein Blockschaltbild eines Sensorpixels zum Detektieren von Infrarotstrahlung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1 a block diagram of a sensor pixel for detecting infrared radiation according to an embodiment of the present invention;

2 Darstellungen eines Sensorpixels zum Detektieren von Infrarotstrahlung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 2 Illustrations of a sensor pixel for detecting infrared radiation according to an embodiment of the present invention;

3 Darstellungen einer Absorberinsel mit einer Metall-Isolator-Halbleiterstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 3 Illustrations of an absorber island with a metal-insulator-semiconductor structure according to an embodiment of the present invention;

4 ein Auswerteschema zum Betreiben eines Sensorpixels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 4 an evaluation scheme for operating a sensor pixel according to an embodiment of the present invention;

5 ein Bänderdiagramm einer Metall-Isolator-Halbleiterstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 5 a band diagram of a metal-insulator-semiconductor structure according to an embodiment of the present invention;

6 ein Kennlinienfeld zum Auswerten eines elektrischen Signals einer Metall-Isolator-Halbleiterstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 6 a characteristic field for evaluating an electrical signal of a metal-insulator semiconductor structure according to an embodiment of the present invention;

7 Darstellungen von Ausführungsbeispielen einer Metall-Isolator-Halbleiterstruktur auf einer Absorberinsel; und 7 Representations of embodiments of a metal-insulator-semiconductor structure on an absorber island; and

8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Sensorpixels zum Detektieren von Infrarotstrahlung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 8th a flowchart of a method for operating a sensor pixel for detecting infrared radiation according to an embodiment of the present invention.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt ein Blockschaltbild eines Sensorpixels 100 zum Detektieren von Infrarotstrahlung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Sensorpixel 100 weist eine thermisch entkoppelte Absorberstruktur 104 und einen Temperatursensor 106 auf. Das Sensorpixel 100 ist dazu ausgebildet, eine Intensität 108 der Infrarotstrahlung 102 in einem elektrischen Signal 110 abzubilden. Die Absorberstruktur 104 ist dazu ausgebildet, die Infrarotstrahlung 108 (nachdem sie beispielsweise durch eine Optik auf das Array fokussiert wurde) zu absorbieren. Durch eine thermische Entkopplung der Absorberstruktur 104 stellt sich eine von der Intensität 108 abhängige Temperatur 112 der Absorberstruktur 104 ein. Der Temperatursensor 106 ist dazu ausgebildet, die Temperatur 112 in dem elektrischen Signal 110 abzubilden. Der Temperatursensor 106 ist als Schichtstapel 106 aus einer Metallschicht 114, einer Isolatorschicht 116 und einer Halbleiterschicht 118 ausgebildet, bei der ein Tunnelstrom durch die Isolatorschicht temperaturabhängig ist. 1 shows a block diagram of a sensor pixel 100 for detecting infrared radiation 102 according to an embodiment of the present invention. The sensor pixel 100 has a thermally decoupled absorber structure 104 and a temperature sensor 106 on. The sensor pixel 100 is designed to be an intensity 108 the infrared radiation 102 in an electrical signal 110 map. The absorber structure 104 is adapted to the infrared radiation 108 (after being focused on the array by optics, for example). By a thermal decoupling of the absorber structure 104 turns one from the intensity 108 dependent temperature 112 the absorber structure 104 one. The temperature sensor 106 is designed to the temperature 112 in the electrical signal 110 map. The temperature sensor 106 is as a layer stack 106 from a metal layer 114 , an insulator layer 116 and a semiconductor layer 118 formed, in which a tunnel current through the insulator layer is temperature dependent.

Um die Infrarotstrahlung 102 auf die Absorberstruktur 104 zu konzentrieren, kann in einem optischen Pfad des Sensorpixels 100 eine Optik 120 angeordnet sein, die hier beispielsweise durch eine Sammellinse 120 repräsentiert ist. To the infrared radiation 102 on the absorber structure 104 can focus in an optical path of the sensor pixel 100 an optic 120 arranged here, for example, by a converging lens 120 is represented.

Das elektrische Signal 110 der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 weist innerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs einen stufenlosen Verlauf auf. Das elektrische Signal 110 kann als Analogsignal bezeichnet werden. Das elektrische Signal 110 wird von einem Steuergerät 122 zum Betreiben des Sensorpixels 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingelesen. In dem Steuergerät 122 wird das elektrische Signal 110 ausgewertet, um auf die Temperatur der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 und damit auf die Temperatur 112 der Absorptionsstruktur 104 zurückzuschließen. Ein Wert der Temperatur 112 wird in einer Temperaturinformation 124 von dem Steuergerät 122 bereitgestellt. Die Temperaturinformation 124 wird in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Digitalsignals bereitgestellt.The electrical signal 110 the metal-insulator-semiconductor structure 106 has a stepless course within a predetermined value range. The electrical signal 110 can be referred to as analog signal. The electrical signal 110 is from a control unit 122 for operating the sensor pixel 100 read according to an embodiment of the present invention. In the control unit 122 becomes the electrical signal 110 evaluated to the temperature of the metal-insulator-semiconductor structure 106 and thus to the temperature 112 the absorption structure 104 zurückzuschließen. A value of temperature 112 is in a temperature information 124 from the controller 122 provided. The temperature information 124 is provided in the form of a digital signal in this embodiment.

Mit anderen Worten zeigt 1 einen Signalpfad bei einem Bolometer 100 für Far Infrared Thermal lmaging Applications. Dabei fällt Infrarotstrahlung 102 (Incident IR) durch eine Optik 120 (Optics) mit einer Intensität 108 (Pth) auf eine MEMS Structure des Bolometers 100. Die Infrarotstrahlung 102 trifft auf eine mechanische Absorptionsstruktur 104 (Mechanical IR Absorber MEMS Structure) und ruft eine Temperaturänderung 112 (ΔT) hervor. Die Temperaturänderung 112 beruht dabei auf einem Produkt aus der Intensität 108 und einem Wärmewiderstand der Absorptionsstruktur 104 (ΔT = RthPth). Die Temperaturänderung 112 wird durch ein temperatursensitives elektrisches Bauelement 106 (Electrical temperature sensitive device (TSD)) erfasst und in einer elektrischen Spannungsänderung 110 (ΔV) abgebildet. Das Bauelement 106 ist eine Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 (MIS Tunneling Capacitor). Die Spannungsänderung 110 wird eine Auswerteschaltung 122 (ASIC) ausgewertet (Read-Out) und als digitale Temperaturinformation 124 bereitgestellt.In other words shows 1 a signal path at a bolometer 100 for Far Infrared Thermal Imaging Applications. It falls infrared radiation 102 (Incident IR) through an optic 120 (Optics) with an intensity 108 (P th ) on a MEMS structure of the bolometer 100 , The infrared radiation 102 meets a mechanical absorption structure 104 (Mechanical IR Absorber MEMS Structure) and calls a temperature change 112 (ΔT). The temperature change 112 is based on a product of the intensity 108 and a thermal resistance of the absorbent structure 104 (ΔT = R th P th ). The temperature change 112 is due to a temperature-sensitive electrical component 106 (Electrical temperature sensitive device (TSD)) detected and in an electrical voltage change 110 (ΔV). The component 106 is a metal-insulator-semiconductor structure 106 (MIS Tunneling Capacitor). The voltage change 110 becomes an evaluation circuit 122 (ASIC) evaluated (read-out) and as digital temperature information 124 provided.

2 zeigt Darstellungen eines Sensorpixels 100 zum Detektieren von Infrarotstrahlung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist eine Draufsicht auf das Sensorpixel 100 und eine Schnittdarstellung durch das Sensorpixel 100. Das Sensorpixel 100 entspricht im Wesentlichen dem Sensorpixel in 1. Hier ist die Absorptionsstruktur 104 als Absorberinsel 104 beziehungsweise Absorptionsinsel 104 ausgeführt. Wenn die Infrarotstrahlung 102 auf die Absorberinsel 104 fällt, wird sie dort absorbiert. Solange ein durch die Infrarotstrahlung 102 auf die Absorberinsel 104 zufließender Wärmestrom 200 größer ist, als ein von der Absorberinsel 104 abfließender Gesamtwärmestrom, erhöht sich eine Temperatur der Absorberinsel 104. Wenn der zufließende Wärmestrom 200 kleiner ist, als der abfließende Gesamtwärmestrom, verringert sich die Temperatur der Absorberinsel 104. 2 shows representations of a sensor pixel 100 for detecting infrared radiation 102 according to an embodiment of the present invention. Shown is a plan view of the sensor pixel 100 and a sectional view through the sensor pixel 100 , The sensor pixel 100 essentially corresponds to the sensor pixel in 1 , Here is the absorption structure 104 as absorber island 104 or absorption island 104 executed. When the infrared radiation 102 on the absorber island 104 falls, it is absorbed there. As long as through the infrared radiation 102 on the absorber island 104 incoming heat flow 200 is greater than one from the absorber island 104 outgoing total heat flow, increases a temperature of the absorber island 104 , When the incoming heat flow 200 is smaller than the outgoing total heat flow, the temperature of the absorber island is reduced 104 ,

Die Absorberinsel 104 ist durch eine Balkenstruktur 202 an einem Substrat 204 des Sensorpixels 100 aufgehängt. Die Balkenstruktur 202 überbrückt einen Zwischenraum 206 zwischen dem Substrat 204 und der Absorberinsel 104. Der Zwischenraum 206 ist beispielsweise mit Luft oder einem Edelgas gasgefüllt. Damit entkoppelt der Zwischenraum 206 aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Gas die Absorberinsel 104 thermisch von dem Substrat 204. Über den Zwischenraum kann nur ein sehr geringer erster Wärmestrom 208 von der Absorberinsel 104 abfließen.The absorber island 104 is by a beam structure 202 on a substrate 204 of the sensor pixel 100 suspended. The beam structure 202 bridges a gap 206 between the substrate 204 and the absorber island 104 , The gap 206 is, for example, gas-filled with air or a noble gas. This decouples the gap 206 due to the low thermal conductivity of gas the absorber island 104 thermally from the substrate 204 , About the gap can only a very small first heat flow 208 from the absorber island 104 flow away.

Die Balkenstruktur 202 weist zwei Ärmchen 210, 212 mit einem großen Wärmewiderstand auf. Dadurch kann ein sehr geringer zweiter Wärmestrom 214 von der Absorberinsel 104 in Richtung des Substrats 204 beziehungsweise in umgekehrter Richtung fließen.The beam structure 202 has two little arms 210 . 212 with a great thermal resistance. This can cause a very low second heat flow 214 from the absorber island 104 in the direction of the substrate 204 or in the opposite direction.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die Ärmchen 210, 212 spiralförmig um die Absorberinsel 104 ausgeführt. Die Ärmchen 210, 212 können auch mäanderförmig ausgeführt sein. Durch die spiralförmige oder mäanderförmige Ausführung weisen die Ärmchen 210, 212 eine große Länge relativ zu ihrer Querschnittsfläche auf. Dadurch ergibt sich der große Wärmewiderstand.In this embodiment, the arms are 210 . 212 spiral around the absorber island 104 executed. The little arms 210 . 212 can also be designed meandering. Due to the spiral or meandering design, the arms show 210 . 212 a long length relative to its cross-sectional area. This results in the large thermal resistance.

Ein dritter Wärmestrom 216 fließt aufgrund der direkten Abstrahlung von der Absorberinsel 104 ab. Alle drei abfließenden Wärmeströme 208, 214, 216 ergeben den Gesamtwärmestrom und befinden sich im Gleichgewicht zu dem zufließenden Wärmestrom 200 durch die Infrarotstrahlung 102, wenn die Temperatur der Absorberinsel 104 konstant ist.A third heat flow 216 flows due to direct radiation from the absorber island 104 from. All three outgoing heat flows 208 . 214 . 216 give the total heat flow and are in equilibrium with the incoming heat flow 200 through the infrared radiation 102 when the temperature of the absorber island 104 is constant.

In den Ärmchen 210, 212 sind elektrische Zuleitungen 218 für die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 integriert. Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 ist Bestandteil der Absorberinsel 104.In the arms 210 . 212 are electrical leads 218 for the metal-insulator-semiconductor structure 106 integrated. The metal-insulator-semiconductor structure 106 is part of the absorber island 104 ,

In einem Ausführungsbeispiel weist das Mikrobolometer·Pixel 100 einen SiO2 Absorber 104 auf einer Siliziuminsel (Si Island) auf. Die Siliziuminsel und der Absorber 104 sind von dem Substrat 204 (Bulk Si) thermisch isoliert.In one embodiment, the microbolometer has pixels 100 a SiO2 absorber 104 on a silicon island (Si Island). The silicon island and the absorber 104 are from the substrate 204 (Bulk Si) thermally isolated.

Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 kann auf ein mit MEMS Prozessen hergestelltes Pixel 100 aufgebracht werden, das zusätzlich einen Infrarot-Absorber enthält. Der MEMS Prozess basiert dabei auf standardmäßig verfügbaren Halbleiterindustrie-Prozessschritten. Der Prozess kann um ein spezielles Verfahren zum Freistellen dünner Halteärmchen 210, 212 ergänzt werden, an denen das Pixel 100 aufgehängt ist.The metal-insulator-semiconductor structure 106 can be applied to a pixel made with MEMS processes 100 be applied, which additionally contains an infrared absorber. The MEMS process is based on standard available semiconductor industry process steps. The process may involve a special procedure for cutting thin retainer sleeves 210 . 212 be supplemented, at which the pixel 100 is suspended.

Die Anordnung einzelner Pixel 100 in einer Matrix ist problemlos möglich. Fertigungstoleranzen können durch eine Kalibrierung bei einer Referenztemperatur kompensiert werden, beispielsweise beim Einschalten des Systems. Durch eine Kalibrierung kann beispielsweise nicht mehr die absolute Stromstärke als Messsignal fungieren, sondern die Stromverstärkung, bezogen auf den kalibrierten Wert.The arrangement of individual pixels 100 in a matrix is easily possible. Manufacturing tolerances can be compensated by calibration at a reference temperature, for example, when the system is turned on. By calibration, for example, it is no longer the absolute current that acts as the measurement signal, but the current gain, based on the calibrated value.

3 zeigt Darstellungen einer Absorberinsel 104 mit einer Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist eine Schnittdarstellung durch die Absorberinsel 104 und eine Draufsicht auf die Absorberinsel 104. Die Absorberinsel 104 entspricht im Wesentlichen der Absorberinsel in 2. Zusätzlich ist hier ein Ausführungsbeispiel der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 mit ihren Schichten 114, 116, 118 und den elektrischen Zuleitungen 218 dargestellt. Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 erstreckt sich über einen Großteil eine Oberfläche der Absorberinsel 104. Die Metallschicht 114 ist als erster elektrischer Anschluss 300 der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 direkt mit einer der Zuleitungen 218 verbunden. Ein zweiter elektrischer Anschluss 302 der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 ist in einer Ecke der Absorberinsel 104 angeordnet und mit der anderen elektrischen Zuleitung 218 verbunden. Der zweite elektrische Anschluss 302 ist auf der gleichen Seite der Absorberinsel 104 angeordnet, wie die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106. Der zweite elektrische Anschluss 302 ist als weitere Metallschicht ausgeführt und durch einen Zwischenraum 304 von der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 getrennt. 3 shows representations of an absorber island 104 with a metal-insulator-semiconductor structure 106 according to an embodiment of the present invention. Shown is a sectional view through the absorber island 104 and a plan view of the absorber island 104 , The absorber island 104 corresponds essentially to the absorber island in 2 , In addition, here is an embodiment of the metal-insulator-semiconductor structure 106 with their layers 114 . 116 . 118 and the electrical leads 218 shown. The metal-insulator-semiconductor structure 106 extends over a large part of a surface of the absorber island 104 , The metal layer 114 is the first electrical connection 300 the metal-insulator-semiconductor structure 106 directly with one of the supply lines 218 connected. A second electrical connection 302 the metal-insulator-semiconductor structure 106 is in a corner of the absorber island 104 arranged and with the other electrical supply line 218 connected. The second electrical connection 302 is on the same side of the absorber island 104 arranged as the metal-insulator-semiconductor structure 106 , The second electrical connection 302 is designed as a further metal layer and by a gap 304 from the metal-insulator-semiconductor structure 106 separated.

Die Absorberinsel 104 weist ein Halbleitermaterial 306 auf. Das Halbleitermaterial 306 ist großteils schwach positiv dotiert. In einem Bereich 308 unterhalb des zweiten elektrischen Anschlusses 302 ist das Halbleitermaterial 306 positiv dotiert. Die Isolatorschicht 116 der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 ist unmittelbar auf dem Halbleitermaterial 306 der Absorberinsel 104 angeordnet. Das Halbleitermaterial 306 ist also die Halbleiterschicht 118 der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106. Damit ist die Absorberinsel 104 integraler Bestandteil der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106.The absorber island 104 has a semiconductor material 306 on. The semiconductor material 306 is for the most part weakly positively endowed. In one area 308 below the second electrical connection 302 is the semiconductor material 306 positively endowed. The insulator layer 116 the metal-insulator-semiconductor structure 106 is directly on the semiconductor material 306 the absorber island 104 arranged. The semiconductor material 306 So is the semiconductor layer 118 the metal-insulator-semiconductor structure 106 , This is the absorber island 104 integral part of the metal-insulator-semiconductor structure 106 ,

Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 weist hier eine weitere Isolatorschicht 310 auf. Die weitere Isolatorschicht 310 ist aus einem anderen Isolatormaterial, als die Isolatorschicht 116. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Isolatorschicht 116 aus Siliziumdioxid, während die weitere Isolatorschicht 310 aus Hafniumdioxid ist. Die weitere Isolatorschicht 310 ist zwischen der Isolatorschicht 116 und der Metallschicht 114 angeordnet.The metal-insulator-semiconductor structure 106 here has another insulator layer 310 on. The further insulator layer 310 is made of a different insulator material than the insulator layer 116 , In this embodiment, the insulator layer 116 of silicon dioxide, while the further insulator layer 310 from hafnia. The further insulator layer 310 is between the insulator layer 116 and the metal layer 114 arranged.

Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird zumindest eine Metall-Isolator-Halbleiter (MIS) Tunnel Kapazität 106 als temperatursensitives Element 106 auf einem Mikrobolometer Pixel 100 verwendet. Zum Herstellen werden ein oder mehrere dünne Oxidschichten 116 auf das insbesondere schwach vordotierte Epi-Silizium 118 und eine darüber liegende Metallisierung 114 aufgebracht. Das Freistellen der Pixel 100 erfolgt zum Beispiel chemisch. Sensiergröße ist entweder der Tunnel-Strom beziehungsweise die Stromverstärkung bezogen auf den Tunnelstrom bei einer Referenztemperatur oder aber die Spannung bei konstant eingeprägtem Strom. Dadurch wird ein hohes Miniaturisierungspotenzial und ein um drei Größenordnungen temperatursensitivieres Signal im Vergleich zum momentan auf pn-Dioden basierenden Sensorprinzip erreicht. In the approach presented here will be at least one metal-insulator-semiconductor (MIS) tunnel capacitance 106 as a temperature-sensitive element 106 on a microbolometer pixel 100 used. For making one or more thin oxide layers 116 to the particular lightly predoped epi-silicon 118 and an overlying metallization 114 applied. The cropping of the pixels 100 takes place, for example, chemically. Sensiergröße is either the tunnel current or the current gain based on the tunnel current at a reference temperature or the voltage at a constant impressed current. This achieves a high miniaturization potential and a signal which is temperature-sensitive by three orders of magnitude compared to the sensor principle currently based on pn diodes.

Die MIS-Tunnel Kapazität 106 wird in das epitaktisch aufgewachsene Silizium 306 eingebracht. Dies geschieht durch Implantation des Bulk-Kontaktes 308 in das schwach p-dotierte Epi-Si 306. Die Isolatorschicht ergibt sich durch eine Standard-Gateoxidation beziehungsweise durch Abscheidung von einer oder mehrerer Oxidschichten 116 und 310. Die Ausbildung des zweiten Kontaktes erfolgt durch ganzflächige Metallabscheidung und Metallstrukturierung. The MIS tunnel capacity 106 becomes in the epitaxially grown silicon 306 brought in. This is done by implantation of the bulk contact 308 into the weakly p-doped Epi-Si 306 , The insulator layer results from a standard gate oxidation or by deposition of one or more oxide layers 116 and 310 , The formation of the second contact is effected by full-surface metal deposition and metal structuring.

In 3 ist ein beispielhaftes Layout in Querschnitt und Draufsicht dargestellt. Mit anderen Worten zeigt 3 einen Querschnitt und eine Draufsicht der Tunnel MIS Struktur 106. Der Bulk Kontakt (B) 308 ist hoch dotiert, um einen ohmschen Kontakt 302 bereitzustellen. Der Gate-Kontakt (G) 300 legt mit seiner Fläche automatisch die Höhe des Tunnelstromes fest und ist dementsprechend größer.In 3 an exemplary layout is shown in cross-section and plan view. In other words shows 3 a cross section and a top view of the tunnel MIS structure 106 , The bulk contact (B) 308 is highly doped to make an ohmic contact 302 provide. The gate contact (G) 300 With its surface automatically determines the height of the tunnel current and is accordingly larger.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein SiO2/HfO2 Schichtsystem verwendet, um Leckströme durch das sehr dünne SiO2 zu verhindern. Es ergibt sich dadurch im Endeffekt eine erhöhte Zuverlässigkeit. Physikalisch ist zur Umsetzung des Sensorprinzips eine einfache SiO2 Schicht ausreichend.In the illustrated embodiment, a SiO 2 / HfO 2 layer system is used to prevent leakage currents through the very thin SiO 2. This results in the end increased reliability. Physically, a simple SiO 2 layer is sufficient to implement the sensor principle.

Im Gegensatz zu Dioden sind die MIS-Tunnel Kapazitäten 106 nicht selbstsperrend, sodass eine zusätzliche Schaltmatrix benötigt wird, um ein Pixel 100 aus einer Mehrzahl von Pixeln 100 auszuwählen. Diese kann allerdings platzsparend als pn-Diode in Reihe entweder auf dem Pixel 100 selbst realisiert werden, was aufgrund des sehr kleinen Sensorelements möglich ist oder aber in einer unter dem MEMS-Element 104 liegenden Ebene auf dem ASIC. Dann kann die Schaltmatrix beispielsweise aus MOSFETs aufgebaut sein.Unlike diodes, the MIS tunnels are capacities 106 not self-locking, so an extra switch matrix is needed to make one pixel 100 from a plurality of pixels 100 select. However, this can save space as a pn diode in series either on the pixel 100 even realized, which is possible due to the very small sensor element or in one below the MEMS element 104 level on the ASIC. Then, the switching matrix may be constructed, for example, of MOSFETs.

4 zeigt ein Auswerteschema 400 zum Betreiben eines Sensorpixels 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Auswerteschema 400 wird auf einem Steuergerät 122 zum Betreiben des Sensorpixels 100 ausgeführt. Das Steuergerät 122 weist eine Einrichtung 402 zum Auswerten und eine Einrichtung 404 zum Bereitstellen auf. Die Einrichtung 402 zum Auswerten ist dazu ausgebildet, ein elektrisches Signal 110 der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 auszuwerten, um eine Temperatur 112 der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 zu bestimmen. Die Einrichtung 404 zum Bereitstellen ist dazu ausgebildet, eine Temperaturinformation 124 bereitzustellen, welche einen Wert der Temperatur 112 der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 repräsentiert. In einem Ausführungsbeispiel wird die Temperaturinformation 124 als digitales Signal bereitgestellt. 4 shows an evaluation scheme 400 for operating a sensor pixel 100 according to an embodiment of the present invention. The evaluation scheme 400 is on a control unit 122 for operating the sensor pixel 100 executed. The control unit 122 has a facility 402 to evaluate and a device 404 to deploy. The device 402 for evaluation is designed to be an electrical signal 110 the metal-insulator-semiconductor structure 106 evaluate to a temperature 112 the metal-insulator-semiconductor structure 106 to determine. The device 404 for providing is adapted to a temperature information 124 provide a value of the temperature 112 the metal-insulator-semiconductor structure 106 represents. In one embodiment, the temperature information becomes 124 provided as a digital signal.

Das dargestellte Auswerteschema 400 weist zwei unterschiedliche Auswertepfade 406, 408 auf. Die Auswertepfade 406, 408 sind durch jeweils einen Schalter zwischen der elektrischen Zuleitung 218 und dem jeweiligen Pfad 406, 408 schaltbar.The illustrated evaluation scheme 400 has two different evaluation paths 406 . 408 on. The evaluation paths 406 . 408 are each connected by a switch between the electrical supply line 218 and the respective path 406 . 408 switchable.

Im ersten Auswertepfad 406 wird ein Wert eines elektrischen Stromflusses 410 (IG) des elektrischen Signals 110 bei einer konstanten elektrischen Spannung 412 (VGB) des elektrischen Signals 110 ausgewertet. Dabei wird der Wert des elektrischen Stromflusses 410 gemessen, während dem Sensorpixel 100 die konstante elektrische Spannung 412 aufgeprägt wird.In the first evaluation path 406 becomes a value of electric current flow 410 (I G ) of the electrical signal 110 at a constant voltage 412 (V GB ) of the electrical signal 110 evaluated. Thereby the value of the electric current flow becomes 410 measured while the sensor pixel 100 the constant electrical voltage 412 is imprinted.

Im zweiten Auswertepfad 408 wird ein Wert der elektrischen Spannung 412 bei einem konstanten elektrischen Stromfluss 410 ausgewertet. Dabei wird der Wert der elektrischen Spannung 412 gemessen, während dem Sensorpixel 100 der konstante elektrische Stromfluss 410 eingeprägt wird.In the second evaluation path 408 becomes a value of electrical voltage 412 at a constant electric current flow 410 evaluated. This is the value of the electrical voltage 412 measured while the sensor pixel 100 the constant electric current flow 410 is impressed.

In beiden Auswertepfaden 406, 408 wird unter Verwendung einer eigenen Verarbeitungsvorschrift von dem jeweils gemessenen Wert 410, 412 auf die Temperatur 112 der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 geschlossen. Im ersten Auswertepfad 406 beschreibt die erste Verarbeitungsvorschrift eine Temperatur-Strom-Kennlinie der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106. Im zweiten Auswertepfad 408 beschreibt die zweite Verarbeitungsvorschrift eine Temperatur-Spannungs-Kennlinie der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106.In both evaluation paths 406 . 408 is calculated using its own processing rule from the measured value 410 . 412 to the temperature 112 the metal-insulator-semiconductor structure 106 closed. In the first evaluation path 406 The first processing specification describes a temperature-current characteristic of the metal-insulator-semiconductor structure 106 , In the second evaluation path 408 The second processing specification describes a temperature-voltage characteristic of the metal-insulator-semiconductor structure 106 ,

In einem Ausführungsbeispiel repräsentiert die erste Verarbeitungsvorschrift einen Zusammenhang zwischen dem elektrischen Stromfluss 410 des elektrischen Signals 110 und der Temperatur 112 bei konstanter Spannung 412. Die zweite Verarbeitungsvorschrift repräsentiert einen Zusammenhang zwischen der Spannung 412 des elektrischen Signals 110 und der Temperatur 112 bei konstantem Stromfluss 410. Unter Verwendung der ersten Verarbeitungsvorschrift wird eine große Empfindlichkeit erreicht. Unter Verwendung der zweiten Verarbeitungsvorschrift wird ein großer Messbereich erreicht. In one embodiment, the first processing rule represents a relationship between the electrical current flow 410 the electrical signal 110 and the temperature 112 at constant voltage 412 , The second processing rule represents a relationship between the voltage 412 the electrical signal 110 and the temperature 112 at constant current flow 410 , Using the first processing protocol, high sensitivity is achieved. Using the second processing instruction, a large measurement range is achieved.

In einem Ausführungsbeispiel repräsentiert eine gemeinsame Verarbeitungsvorschrift ein Kennlinienfeld der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106. Dabei bildet das Kennlinienfeld die elektrische Spannung 412 des elektrischen Signals 110, den elektrischen Stromfluss 410 des elektrischen Signals 110 und die Temperatur 112 ab.In one embodiment, a common processing rule represents a family of characteristics of the metal-insulator-semiconductor structure 106 , The characteristic field forms the electrical voltage 412 the electrical signal 110 , the electric current flow 410 the electrical signal 110 and the temperature 112 from.

Der Aufbau kann mit leichten Modifikationen unter Verwendung von Epi-Silizium 306 erfolgen. Statt wie bisher mehrere Dioden in Serie zu betreiben, reicht aufgrund der hohen Temperatursensitivität ein einzelnes Sensorelement 106 aus, um ein genügend großes elektrisches Signal 110 zu erzeugen. Da es sich um ein zweipoliges Bauelement 100 handelt, werden von jedem Pixel 100 zwei elektrische Leitungen 218 nach außen geführt, um das Bauelement 100 mit dem ASIC 122 zu verbinden. Dies ist vor allem deshalb vorteilhaft, weil durch die geringe Anzahl von Leitungen 218 die thermische Entkopplung des Pixels 100 minimiert und damit die Sensorperformance positiv beeinflusst wird.The construction can be done with slight modifications using epi-silicon 306 respectively. Instead of operating several diodes in series as before, a single sensor element is sufficient due to the high temperature sensitivity 106 off to a sufficiently large electrical signal 110 to create. Because it is a bipolar device 100 are acting on each pixel 100 two electrical lines 218 led to the outside to the component 100 with the ASIC 122 connect to. This is particularly advantageous because of the low number of lines 218 the thermal decoupling of the pixel 100 minimized and thus the sensor performance is positively influenced.

Mit anderen Worten zeigt 4 ein Auswertekonzept für einen ASIC 122 mit umschaltbarer Signalauswertung. Im ersten Auswertepfad 406 wird der Strom 412 als Auswertesignal bei konstanter Spannung 410 verwendet. Im zweiten Auswertepfad 408 wird die Spannung 410 als Auswertesignal bei konstantem Strom 412 verwendet.In other words shows 4 an evaluation concept for an ASIC 122 with switchable signal evaluation. In the first evaluation path 406 becomes the electricity 412 as evaluation signal at constant voltage 410 used. In the second evaluation path 408 becomes the tension 410 as evaluation signal at constant current 412 used.

5 zeigt ein Bänderdiagramm 500 einer Metall-Isolator-Halbleiterstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dem Bänderdiagramm 500 sind verschiedene Energieniveaus 502, 504, 506, 508 (EFM, EC, EF, EV) von Elektronen innerhalb der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur dargestellt. Dabei weisen die Elektronen auf einer ersten Seite der Isolatorschicht 116 ein niedriges Energieniveau 502 auf. Auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite der Isolatorschicht 116 weisen die Elektronen höhere Energieniveaus 504, 506, 508 auf. Die Elektronen tunneln durch die Isolatorschicht 116, weshalb sie Sprünge im Energieniveau aufweisen. 5 shows a band diagram 500 a metal-insulator-semiconductor structure according to an embodiment of the present invention. In the band diagram 500 are different energy levels 502 . 504 . 506 . 508 (E FM , E C , E F , E V ) of electrons within the metal-insulator-semiconductor structure. In this case, the electrons are on a first side of the insulator layer 116 a low energy level 502 on. On an opposite second side of the insulator layer 116 the electrons have higher energy levels 504 . 506 . 508 on. The electrons tunnel through the insulator layer 116 why they have jumps in energy level.

Prinzipiell ergibt sich der Temperatureffekt wie folgt: Durch ein angelegtes elektrisches Feld zwischen Gateelektrode und Bulk Si wird eine Inversionsladung unter dem Oxid 116 erzeugt, wie durch das dargestellte Elektron im Bänderdiagramm angedeutet ist. Das Oxid 116 ist derart aufgebaut beziehungsweise ist so dünn, dass jeder Ladungsträger durch das Oxid 116 zur Elektrode tunneln kann. Tunneln ist ein quantenmechanischer Vorgang, der das Passieren eines Ladungsträgers durch klassisch verbotene Energiezustände beschreibt. Dazu gehört beispielsweise eine dünne, nicht leitende Schicht 116. Wenn der Strom in diesem Fall durch die Bereitstellung der Ladungsträger begrenzt ist und nicht durch die Tunnelwahrscheinlichkeit, ergibt sich ein quadratisch mit der Temperatur ansteigender Sättigungsstrom, der als Temperatursignal verwendet werden kann.In principle, the temperature effect is as follows: An applied electric field between gate electrode and bulk Si causes an inversion charge under the oxide 116 generated, as indicated by the electron shown in the band diagram. The oxide 116 is so constructed or is so thin that each carrier through the oxide 116 can tunnel to the electrode. Tunneling is a quantum mechanical process that describes the passage of a charge carrier through classically forbidden states of energy. This includes, for example, a thin, non-conductive layer 116 , If the current is limited in this case by the provision of the charge carriers and not by the tunneling probability, results in a quadratically increasing with the temperature saturation current, which can be used as a temperature signal.

Mit anderen Worten zeigt 5 ein Bänderdiagramm des Systems Al/SiO2/Si (pdotiert) mit tunnelnden Elektronen durch das Oxid 116.In other words shows 5 a band diagram of the system Al / SiO2 / Si (p-doped) with tunneling electrons through the oxide 116 ,

6 zeigt ein Kennlinienfeld 600 zum Auswerten eines elektrischen Signals einer Metall-Isolator-Halbleiterstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Kennlinienfeld 600 ist in einem Diagramm aufgezeichnet, das auf der Abszisse eine elektrische Spannung in Volt (Gate Voltage (V)) aufgetragen hat und auf der Ordinate eine Ladungsdichte in Ampere pro Quadratzentimeter (Current Density (A/cm2)) aufgetragen hat. Dabei repräsentiert die elektrische Spannung die Spannung zwischen den elektrischen Anschlüssen der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur, wie sie in den 1 bis 4 dargestellt ist. Mit ansteigender Temperatur der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur steigt die Ladungsdichte an. Das ist hier durch eine Vielzahl von Kennlinien 602 ausgedrückt, die wie dargestellt einer Temperatur der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur zugeordnet sind. 6 shows a characteristic field 600 for evaluating an electrical signal of a metal-insulator-semiconductor structure according to an embodiment of the present invention. The characteristic field 600 is plotted on a graph plotted on the abscissa voltage in volts (V) and plotted on the ordinate a charge density in ampere per square centimeter (A / cm2). In this case, the electrical voltage represents the voltage between the electrical terminals of the metal-insulator-semiconductor structure, as shown in the 1 to 4 is shown. As the temperature of the metal-insulator-semiconductor structure increases, the charge density increases. This is due to a variety of characteristics 602 expressed as associated with a temperature of the metal-insulator-semiconductor structure as shown.

Die Strom-Spannungscharakteristik 600 kann prinzipiell durch Lösung der Schrödinger Gleichung mittels der Wentzel-Kramer-Brillouin (WKB) Methode mit rechteckförmiger Potenzialbarriere erfolgen. Es ergibt sich

Figure DE102014223962A1_0002
mit der Boltzmann Konstante k, der effektiven Elektronenmasse meff, der Elementarladung q, der reduzierten Planck Konstante h, der absoluten Temperatur T, der Tunnelwahrscheinlichkeit Tn, der Schottky Barrierenhöhe ϕB, dem Dioden Idealitätsfaktor m und der Bulk-Gate-Spannung VBG. Bei negativem Gatepotenzial (also VBG > 0 V) entspricht diese Formel nahezu der klassischen Diodengleichung. Es kommt hier zu einer Anreicherung von Löchern unter dem Oxid. Weder die Löcherkonzentration im Si noch die Elektronenkonzentration im Metall sind temperaturabhängig. Daher eignet sich dieser Arbeitspunkt auch nicht zur Temperaturmessung.The current-voltage characteristic 600 can be done in principle by solving the Schrödinger equation using the Wentzel-Kramer-Brillouin (WKB) method with rectangular potential barrier. It turns out
Figure DE102014223962A1_0002
with the Boltzmann constant k, the effective electron mass m eff , the elementary charge q, the reduced Planck constant h, the absolute temperature T, the tunneling probability T n , the Schottky barrier height φ B , the diode ideality factor m, and the bulk gate voltage V BG . With a negative gate potential (ie V BG > 0 V), this formula corresponds almost to the classical diode equation. It comes here to an accumulation of holes under the oxide. Neither the hole concentration in the Si nor the electron concentration in the metal are temperature-dependent. Therefore, this operating point is not suitable for temperature measurement.

Erst im Falle einer Inversion, also einer Anreicherung von Minoritätsladungsträgern und VBG < 0 V, was einem positiven Gatepotenzial entspricht, ist die quadratische Temperaturabhängigkeit für eine Temperaturmessung nutzbar.Only in the case of an inversion, ie an accumulation of minority charge carriers and V BG <0 V, which corresponds to a positive gate potential, is the quadratic temperature dependence usable for a temperature measurement.

Beispielhaft ergibt sich die hier dargestellte temperaturabhängige Messung. Wie man in 6 dargestellt, führt eine Temperaturerhöhung um 10 K etwa zu einer Verdoppelung des Stromes.By way of example, the temperature-dependent measurement shown here results. How to get in 6 shown, a temperature increase by 10 K leads to about a doubling of the current.

Mit anderen Worten zeigt 6 eine temperaturabhängige Strom-Spannungskennlinie einer MIS Tunnel Struktur mit 2 nm dicken SiO2.In other words shows 6 a temperature-dependent current-voltage characteristic of an MIS tunnel structure with 2 nm thick SiO2.

Eine Auswertung des Stromes bei konstanter Spannung wie durch den senkrechten Pfeil dargestellt eignet sich besonders, wenn eine große Temperaturschwankung zu erwarten ist. Dies kann im Falle einer Mikrobolometer-Anwendung beispielsweise bei sehr hohen Signalen, wie bei der Überwachung eines Laserstrahles oder der Feuererkennung der Fall sein. Bei nur geringen Temperaturhüben eignet sich eher die Messung der Spannung bei konstantem Strom, wie durch den waagerechten Pfeil dargestellt. Hier ergeben sich Temperatursensitivitäten von bis zu –5.5 V/K. Damit ist ein Sensorpixel gemäß dem hier vorgestellten Ansatz um den Faktor 2750 sensitiver als ein einzelner pn-Übergang. An evaluation of the current at constant voltage as shown by the vertical arrow is particularly suitable when a large temperature variation is expected. This can be the case in the case of a microbolometer application, for example, for very high signals, such as in the monitoring of a laser beam or the fire detection of the case. With only low temperature strokes it is more suitable to measure the voltage at constant current, as shown by the horizontal arrow. This results in temperature sensitivities of up to -5.5 V / K. Thus, a sensor pixel according to the approach presented here by the factor 2750 is more sensitive than a single pn junction.

Da bei mikrobolometrischen Aufnahmen von Szenen um 300 K, beispielsweise für Wärmebilder in Nachtsichtsystemen nur Temperaturhübe in der Größenordnung von µK auf dem Pixel zu erwarten sind, ist zweites Auswertekonzept für diese Anwendungen zu bevorzugen. Um beide Anwendungsfälle abzudecken, kann das hier vorgestellte Steuergerät zwischen "konstant Strom" und "konstant Spannung" umschalten. Eine von beiden Lösungen kann ausreichend sein und ist nach wie vor deutlich besser als etablierte Systeme.Since only temperature strokes of the order of magnitude of μK can be expected on the pixel in micro-bolometric images of scenes around 300 K, for example for thermal images in night vision systems, a second evaluation concept is to be preferred for these applications. To cover both applications, the control unit presented here can switch between "constant current" and "constant voltage". Either solution may be sufficient and is still significantly better than established systems.

7 zeigt Darstellungen von Ausführungsbeispielen einer Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 auf einer MIS-Struktur 104 gemäß dem hier vorgestellten Ansatz. Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 mit der MIS-Struktur 104 entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 3. Im Gegensatz dazu ist der zweite elektrische Anschluss 302 jeweils auf einer, der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 gegenüberliegenden Seite der Absorberinsel 104 angeordnet. Der Absorber käme noch oben drauf oder unten drunter. Das Bezugszeichen 104 bezeichnet hier schwach dotiertes Si, welches nur sehr schwach IR absorbierend ist. 7 shows illustrations of embodiments of a metal-insulator-semiconductor structure 106 on an MIS structure 104 according to the approach presented here. The metal-insulator-semiconductor structure 106 with the MIS structure 104 is essentially the same as in 3 , In contrast, the second electrical connection 302 each on one, the metal-insulator-semiconductor structure 106 opposite side of the absorber island 104 arranged. The absorber would be on top or below. The reference number 104 here denotes weakly doped Si, which is only very weakly absorbing IR.

In dem auf der rechten Seite dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur 106 dreidimensional strukturiert ausgeführt, um eine größere Oberfläche zum Erzeugen des elektrischen Signals und damit eine größere Signalamplitude des elektrischen Signals bereitzustellen.In the embodiment shown on the right side, the metal-insulator-semiconductor structure is 106 structured in three dimensions to provide a larger surface for generating the electrical signal and thus a larger signal amplitude of the electrical signal.

Der technisch interessante Bereich des Devices 106 als Gatestapel kann in vielerlei Designvarianten realisiert werden. Es sind Realisierungsmöglichkeiten des Gatestapels 106 auf dem Epi-Si 104 gezeigt. Die rechte Struktur 106 hat aufgrund der größeren Grenzfläche von Si und SiO2 einen erhöhten Tunnelstrom.The technically interesting area of the device 106 As a gate stack can be realized in many design variants. There are implementation possibilities of the Gatestapels 106 on the Epi-Si 104 shown. The right structure 106 has an increased tunneling current due to the larger interface of Si and SiO2.

8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 zum Betreiben eines Sensorpixels zum Detektieren von Infrarotstrahlung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann auf einem Steuergerät, wie es beispielsweise in 4 dargestellt ist ausgeführt werden. Das Verfahren weist einen Schritt 802 des Auswertens und einen Schritt 804 des Bereitstellens auf. Im Schritt 802 des Auswertens wird ein elektrisches Signal der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift ausgewertet. Durch die Auswertung wird eine Temperatur der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur bestimmt. Im Schritt 804 des Bereitstellens wird eine Temperaturinformation bereitgestellt, welche die Temperatur der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur repräsentiert. 8th shows a flowchart of a method 800 for operating a sensor pixel for detecting infrared radiation according to an embodiment of the present invention. The method can be used on a control unit, such as in 4 is shown to be executed. The method has one step 802 the evaluation and a step 804 of providing. In step 802 of the evaluation, an electrical signal of the metal-insulator-semiconductor structure is evaluated using a processing instruction. The evaluation determines a temperature of the metal-insulator-semiconductor structure. In step 804 the provision of temperature information is provided which represents the temperature of the metal-insulator-semiconductor structure.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment.

Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Furthermore, the method steps presented here can be repeated as well as executed in a sequence other than that described.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Claims (13)

Sensorpixel (100) zum Detektieren von Infrarotstrahlung (102), wobei das Sensorpixel (100) die folgenden Merkmale aufweist: eine thermisch von einem Substrat (204) des Sensorpixels (100) entkoppelte Absorberinsel (104) zum Absorbieren der Infrarotstrahlung (102); und eine Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106), die Bestandteil der Absorberinsel (104) ist und dazu ausgebildet ist, eine Temperatur (112) der Absorberinsel (104) in einem elektrischen Signal (110) abzubilden.Sensor pixel ( 100 ) for detecting infrared radiation ( 102 ), where the sensor pixel ( 100 ) has the following features: a thermal from a substrate ( 204 ) of the sensor pixel ( 100 ) decoupled absorber island ( 104 ) for absorbing the infrared radiation ( 102 ); and a metal-insulator-semiconductor structure ( 106 ), which are part of the absorber island ( 104 ) and is adapted to a temperature ( 112 ) of the absorber island ( 104 ) in an electrical signal ( 110 ). Sensorpixel (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106) eine Metallschicht (114), zumindest eine Isolatorschicht (116) und eine durch die Isolatorschicht (116) von der Metallschicht (114) elektrisch isolierte Halbleiterschicht (118) umfasst.Sensor pixel ( 100 ) according to claim 1, wherein the metal-insulator-semiconductor structure ( 106 ) a metal layer ( 114 ), at least one insulator layer ( 116 ) and one through the insulator layer ( 116 ) of the metal layer ( 114 ) electrically insulated semiconductor layer ( 118 ). Sensorpixel (100) gemäß Anspruch 2, bei dem die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106) ferner zumindest eine weitere Isolatorschicht (310) umfasst, die ein anderes Isolatormaterial umfasst, als die Isolatorschicht (116), wobei die Metallschicht (114) durch die Isolatorschicht (116) und die weitere Isolatorschicht (310) von der Halbleiterschicht (118) isoliert ist.Sensor pixel ( 100 ) according to claim 2, wherein the metal-insulator-semiconductor structure ( 106 ) further at least one further insulator layer ( 310 ), which comprises a different insulator material, than the insulator layer ( 116 ), wherein the metal layer ( 114 ) through the insulator layer ( 116 ) and the further insulator layer ( 310 ) from the semiconductor layer ( 118 ) is isolated. Sensorpixel (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Absorberinsel (104) ein Halbleitermaterial (306) aufweist, das als Halbleiterschicht (118) der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106) ausgebildet ist. Sensor pixel ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the absorber island ( 104 ) a semiconductor material ( 306 ), which as semiconductor layer ( 118 ) of the metal-insulator-semiconductor structure ( 106 ) is trained. Sensorpixel (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Metallschicht (114) der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106) als ein erster elektrischer Anschluss (300) zum Abgreifen des elektrischen Signals (110) der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106) ausgebildet ist.Sensor pixel ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which the metal layer ( 114 ) of the metal-insulator-semiconductor structure ( 106 ) as a first electrical connection ( 300 ) for picking up the electrical signal ( 110 ) of the metal-insulator-semiconductor structure ( 106 ) is trained. Sensorpixel (100) gemäß Anspruch 5, bei dem die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106) einen zweiten elektrischen Anschluss (302) aufweist, der durch die Halbleiterschicht (118) von der Isolatorschicht (116) getrennt ist, wobei der zweite elektrische Anschluss (302) auf einer, der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106) gegenüberliegenden Seite der Absorberinsel (104) angeordnet ist.Sensor pixel ( 100 ) according to claim 5, wherein the metal-insulator-semiconductor structure ( 106 ) a second electrical connection ( 302 ) passing through the semiconductor layer ( 118 ) of the insulator layer ( 116 ), the second electrical connection ( 302 ) on one, the metal-insulator-semiconductor structure ( 106 ) opposite side of the absorber island ( 104 ) is arranged. Sensorpixel (100) gemäß Anspruch 5, bei dem die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106) einen zweiten elektrischen Anschluss (302) aufweist, der durch die Halbleiterschicht (118) von der Isolatorschicht (116) getrennt ist, wobei der zweite elektrische Anschluss (302) auf der gleichen Seite der Absorberinsel (104) angeordnet ist, wie die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106).Sensor pixel ( 100 ) according to claim 5, wherein the metal-insulator-semiconductor structure ( 106 ) a second electrical connection ( 302 ) passing through the semiconductor layer ( 118 ) of the insulator layer ( 116 ), the second electrical connection ( 302 ) on the same side of the absorber island ( 104 ), such as the metal-insulator-semiconductor structure ( 106 ). Sensorpixel (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (100) dreidimensional strukturiert ausgeführt ist.Sensor pixel ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which the metal-insulator-semiconductor structure ( 100 ) is executed three-dimensionally structured. Verfahren (800) zum Betreiben eines Sensorpixels (100) zum Detektieren von Infrarotstrahlung (102), wobei das Sensorpixel (100) eine thermisch von einem Substrat (204) des Sensorpixels (100) entkoppelte Absorberinsel (104) mit einer Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106) aufweist, wobei das Verfahren (800) die folgenden Schritte aufweist: Auswerten (802) eines elektrischen Signals (110) der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106) unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift, um eine Temperatur (112) der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106) zu bestimmen; und Bereitstellen (804) einer Temperaturinformation (124), welche die Temperatur (112) der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106) repräsentiert.Procedure ( 800 ) for operating a sensor pixel ( 100 ) for detecting infrared radiation ( 102 ), where the sensor pixel ( 100 ) thermally from a substrate ( 204 ) of the sensor pixel ( 100 ) decoupled absorber island ( 104 ) with a metal-insulator-semiconductor structure ( 106 ), the method ( 800 ) has the following steps: evaluating ( 802 ) of an electrical signal ( 110 ) of the metal-insulator-semiconductor structure ( 106 ) using a processing protocol to obtain a temperature ( 112 ) of the metal-insulator-semiconductor structure ( 106 ) to determine; and Provide ( 804 ) a temperature information ( 124 ), which determines the temperature ( 112 ) of the metal-insulator-semiconductor structure ( 106 ). Verfahren (800) gemäß Anspruch 9, bei dem im Schritt (802) des Auswertens mit einem konstanten Stromfluss (410) des elektrischen Signals (110) ausgewertet wird, um eine Temperaturempfindlichkeit zu erhöhen und/oder mit einer konstanten Spannung (412) des elektrischen Signals (110) ausgewertet wird, um einen Temperaturmessbereich zu vergrößern.Procedure ( 800 ) according to claim 9, wherein in step ( 802 ) of the evaluation with a constant current flow ( 410 ) of the electrical signal ( 110 ) is evaluated in order to increase a temperature sensitivity and / or with a constant voltage ( 412 ) of the electrical signal ( 110 ) is evaluated to increase a temperature measuring range. Steuergerät (122), das ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (800) zum Betreiben eines Sensorpixels (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche durchzuführen.Control unit ( 122 ), which is designed to handle all steps of a process ( 800 ) for operating a sensor pixel ( 100 ) according to one of the preceding claims. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche durchzuführen.Computer program adapted to perform all the steps of a method according to any one of the preceding claims. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.A machine-readable storage medium having a computer program stored thereon according to claim 12.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017084859A1 (en) * 2015-11-20 2017-05-26 Robert Bosch Gmbh Microbolometer, method for producing a microbolometer and method for detecting an electromagnetic emission

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017084859A1 (en) * 2015-11-20 2017-05-26 Robert Bosch Gmbh Microbolometer, method for producing a microbolometer and method for detecting an electromagnetic emission

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