DE102015110496B4

DE102015110496B4 - Integriertes, lichtemittierendes bauelement,integriertes sensorbauelement undherstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102015110496B4
Application number: DE102015110496.2A
Authority: DE
Inventors: Thoralf Kautzsch
Original assignee: Infineon Technologies Dresden GmbH and Co KG
Current assignee: Infineon Technologies Dresden GmbH and Co KG
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2035-07-01
Also published as: US10453985B2; US20170005220A1; CN106323897B; CN106323897A; US20180351027A1; US10270002B2; DE102015110496A1

Abstract

Integriertes, lichtemittierendes Bauelement (200; 700), umfassend:ein Substrat (205; 207), das ein Halbleitermaterial umfasst;eine lichtemittierende Einheit (210; 310), die in das Halbleitermaterial integriert ist; undzumindest einen Hohlraum (215; 715), der in das Halbleitermaterial zwischen dem Substrat (205; 705) und der lichtemittierenden Einheit (210; 310) gebildet ist,ferner umfassend:einen Wellenleiter (220; 320), der mit einem Lichtauslass (222; 322) der lichtemittierenden Einheit (210; 310) gekoppelt ist, wobei der Wellenleiter (220; 320) ausgebildet ist, um eine Wechselwirkung zwischen geführtem Licht und einem Messmedium bereitzustellen, das den Wellenleiter umgibt,wobei der Wellenleiter (220; 320) und die lichtemittierende Einheit (210; 310) einstückig in das Halbleitermaterial gebildet sind,wobei der Wellenleiter (220; 320) in einem Abschnitt des Halbleitermaterials angeordnet ist, der offen hin zu einer Umgebung ist, und wobei die lichtemittierende Einheit (210; 310) in einem Abschnitt des Halbleitermaterials angeordnet ist, der von der Umgebung abgedichtet ist.

Description

Gebiet
Ausführungsbeispiele beziehen sich allgemein auf Halbleiterbauelemente und Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen und insbesondere auf integrierte, lichtemittierende Bauelemente und verwandte, integrierte Sensorbauelemente.
Hintergrund
Elektronische Sensoren messen im Allgemeinen eine physikalische Größe und wandeln die gemessene, physikalische Größe in ein Signal um, das an ein elektronisches Instrument bereitgestellt wird (zum Beispiel integrierter Chipprozessor). In den letzten Jahren hat sich die Anzahl der Bereiche, die Sensoren verwenden, enorm ausgedehnt. Zum Beispiel finden sich Sensoren in verschiedenen Anwendungen, wie zum Beispiel Detektionseinheiten für chemische Stoffe, medizinischer Diagnoseausrüstung, Industrieprozesssteuerungen, Verschmutzungsüberwachung, Automobilen, etc.
Infrarotsensoren, wie zum Beispiel Mittel-Infrarot-Sensoren (MIR-Sensoren; MIR = midinfrared) messen die Strahlung, die in dem Infrarot-Abschnitt (IR-Abschnitt; IR = Infrarot) des elektromagnetischen Spektrums von Objekten emittiert wird, die eine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt aufweisen. Das mittlere Infrarotspektrum deckt die elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen in einem Bereich von ungefähr 2 - 25 µm ab. Durch Messen von Änderungen in dem MIR-Spektrum sind Sensoren in der Lage, z.B. Änderungen bei der Chemie oder Temperatur einer Probe zu messen.
Die Reduktion der optischen Weglänge (heute Millimeter- und Zentimeter-Bereich) ist eine der Hauptaufgaben auf dem Weg zu monolithisch integrierten IR-Sensoren. Ein vielversprechender Ansatz ist die Anwendung von Evaneszenz-Oberflächenfeldern bei Wellenleitern mit Subwellenlängen-Durchmessern. Um aus diesem Konzept vollen Vorteil zu ziehen, ist eine effiziente Kollimation und Kopplung von Infrarotlicht in eine Faser sowie eine ausgezeichnete thermische Isolierung eines Lichtemitters wesentlich.
Die WO 01/97294 A2 befasst sich mit der hybriden Integration von elektronischen CMOS und opto-elektronischen Komponenten. Die WO 2007/081549 A2 beschreibt die gemeinsame Integration von lichtempfangenden und lichtemittierenden „solid state“ Anordnungen mittels Mehrschichtepitaxie. Die US 2014/0003457 A1 offenbart eine sogenanntes Interposer Substrat für opto-elektronische Bauelemente. Die US 5 428 227 A beschreibt ein Halbleiterlichtemissionselement mit einer Halbleiterlaminierungsstruktur, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist und einen Verbindungsabschnitt aufweist, der parallel zu einer Halbleitersubstratfläche ausgebildet ist. Ein Lichterzeugungsabschnitt des Halbleiterlichtemissionselements ist der in der Nähe des Verbindungsabschnitts derart ausgebildet, dass ein elektrischer Strom in den Lichterzeugungsabschnitt injiziert werden kann. Eine Licht emittierende Endfläche des Halbleiterlichtemissionselement ist ungefähr senkrecht zu dem Verbindungsabschnitt und weist ungefähr eine Bogen- oder Hyperbelform in einer Richtung parallel zu der Halbleitersubstratfläche auf. Eine Elektrode zur elektrischen Strominjektion ist in einem oberen Abschnitt der Halbleiterlaminierungsstruktur ausgebildet und in einer Position angeordnet, die von wenigstens einem Krümmungsmittelpunkt der Lichtbogenemissionsendfläche getrennt ist. Die WO 2010/008119 A1 befasst sich mit einer Halbleiterlaserdiode mit einer Wellenleiterlinse. Die Halbleiterlaserdiode umfasst mindestens einen ersten Wellenleiter mit einer schmalen Breite, mindestens einen zweiten Wellenleiter mit einer breiteren Breite und mindestens eine Wellenleiterlinse mit einer zunehmenden Breite von dem ersten Wellenleiter zu dem zweiten Wellenleiter. Seitenwände der Wellenleiterlinse, die den ersten Wellenleiter mit dem zweiten Wellenleiter verbinden, können gekrümmt sein. Der zweite Wellenleiter kann ein Wellenleiter sein, der eine optische Verstärkung bereitstellt. Die US 2004/0105476 A1 beschreibt einen planaren Wellenleiter-Oberflächenemissionslaser (PWSEL) und eine photonische integrierte Schaltkreis- (PIC) - Technologie. Der PWVCL kann für sich alleine stehen oder er kann mit einer Vielzahl von optischen Vorrichtungen integriert werden, um photonische integrierte Schaltungen zu bilden. Die meisten oder alle Komponenten teilen den gleichen transversalen Wellenleiter. Ein lateraler Indexschritt oder eine andere geeignete Technik vervollständigt den Wellenleiter, so dass Licht in der Längsrichtung geführt wird. Optische Abgriffe (Spiegel mit reduziertem Reflexionsvermögen) ermöglichen eine Oberflächenemission des Lichts. In der US 2010/0006784 A1 werden Verfahren und Systeme für eine Lichtquellenanordnung offenbart, die eine direkte Kopplung an einen photonisch aktivierten komplementären Metalloxidhalbleiter (CMOS) -Chip unterstützen. Die Anordnung kann einen Laser, eine Mikrolinse, einen Drehspiegel, reziproke und / oder nichtreziproke Polarisationsrotatoren und eine optische Bank umfassen. Der Laser kann ein optisches Signal erzeugen, das unter Verwendung der Mikrolinse fokussiert werden kann. Das optische Signal kann in einem Winkel reflektiert werden, der durch den Umlenkspiegel definiert ist, und kann aus der Lichtquellenanordnung zu einem oder mehreren Gitterkopplern in dem Chip übertragen werden. Der Laser kann einen rückkopplungsunempfindlichen Laser enthalten. Die Lichtquellenanordnung kann zwei elektrothermische Grenzflächen zwischen der optischen Bank, dem Laser und einem an der optischen Bank befestigten Deckel umfassen. Der Umlenkspiegel kann in einem Deckel integriert sein, der an der optischen Bank befestigt ist, oder er kann in der optischen Bank integriert sein. Die US 2009/0312200 A1 betrifft einen Chip zur Nukleinsäureanalyse. Der umfasst einen Körper, in dem eine Detektionskammer zur Aufnahme von Nukleinsäuresonden ausgebildet ist. Ein Wellenleiter ist in den Körper integriert und ist am Boden der Detektionskammer angeordnet, so dass eine evaneszente Welle, erzeugt an einer Grenzfläche des Wellenleiters, wenn eine Lichtstrahlung innerhalb des Wellenleiters transportiert wird, auf das Innere der Nachweiskammer abgestrahlt wird. Eine Vorrichtung zur Inspektion von Nukleinsäuresonden umfasst einen Halter, auf den ein Chip zur Nukleinsäureanalyse geladen ist, wobei der Chip Nukleinsäuresonden enthält; eine Lichtquelle zum Zuführen einer Anregungsstrahlung zu den Nukleinsäuresonden und einen optischen Sensor, der so angeordnet ist, dass er Strahlung empfängt, die von den Nukleinsäuresonden kommt. Die US 2009/0068668 A1 betrifft ein Abtastsensorsystem, ein Verfahren zur Verwendung und Kits zum Nachweis eines biologisch aktiven Analyten. Das Abtastsensorsystem umfasst eine Lichtquelle, einen Detektor, ein Substrat, das eine Vielzahl von Wellenleitern und eine Mehrzahl von optischen Messstellen in optischer Kommunikation mit einem oder mehreren Wellenleitern des Substrats umfasst, und mindestens einen Adapter, der zum Koppeln mit dem Substrat und konfiguriert ist Bereitstellen einer optischen Kommunikation zwischen der Lichtquelle, den Wellenleitern des Substrats und dem Detektor. Die US 2014/0231635 A1 beschreibt optische Vorrichtungen, die mehrere heterogene Komponenten in einem einzigen, kompakten Paket integrieren. In einer oder mehreren Implementierungen umfassen die optischen Vorrichtungen ein Trägersubstrat mit einer Oberfläche, die zwei oder mehr darin ausgebildete Hohlräume umfasst. Eine oder mehrere optische Komponentenvorrichtungen sind in den jeweiligen Hohlräumen in einer vorbestimmten Anordnung angeordnet. Eine Abdeckung ist auf der Oberfläche des Trägersubstrats angeordnet, so dass die Abdeckung die optischen Komponentenvorrichtungen zumindest im Wesentlichen in ihren jeweiligen Hohlräumen umschließt. Die Abdeckung, die aus Glas bestehen kann, ist so konfiguriert, dass sie Licht innerhalb des vorbestimmten Wellenlängenspektrums durchlässt. Die US 5 631 474 A beschreibt ein Licht emittierendes Element mit mehreren Halbleiterschichten, die eine Licht emittierende Schicht umfassen und auf einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet sind. Die US 2011/0248302 A1 zeigt eine Licht emittierende Vorrichtung mit einer erste Elektrode, einer lichtemittierenden Struktur mit einer ersten Halbleiterschicht, einer aktiven Schicht und einer zweiten Halbleiterschicht auf der ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode auf der lichtemittierenden Struktur und mit einem Steuerschalter, der an der lichtemittierenden Struktur installiert ist, um die lichtemittierende Struktur zu steuern.
Vor diesem Hintergrund besteht ein Bedarf an integrierten, lichtemittierenden Halbleiterbauelementen, welche effizient hergestellt werden können.
Zusammenfassung
Diesem Bedarf werden integrierte Bauelemente und Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gerecht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein Halbleiter-basiertes, integriertes, lichtemittierendes Bauelement. Das Bauelement umfasst ein Substrat, das ein Halbleitermaterial umfasst, d.h. ein Halbleitersubstrat. Das integrierte Bauelement umfasst ferner eine lichtemittierende Einheit, die in das Halbleitermaterial integriert ist, und zumindest einen Hohlraum, der in das Halbleitermaterial zwischen dem Substrat und der lichtemittierenden Einheit gebildet ist. Das integrierte, lichtemittierende Bauelement umfasst ferner einen Wellenleiter, der mit einem Lichtauslass der lichtemittierenden Einheit gekoppelt ist. Der Wellenleiter ist ausgebildet, um eine Wechselwirkung zwischen geführtem Licht und einem Messmedium bereitzustellen, das den Wellenleiter umgibt. Der Wellenleiter und die lichtemittierende Einheit sind einstückig in das Halbleitermaterial gebildet. Der Wellenleiter ist in einem Abschnitt des Halbleitermaterials angeordnet, der offen hin zu einer Umgebung ist. Die lichtemittierende Einheit ist in einem Abschnitt des Halbleitermaterials angeordnet, der von der Umgebung abgedichtet ist.
Genauer gesagt können zumindest Teile des Hohlraumes unter Abschnitten der lichtemittierenden Einheit und über Abschnitten des Halbleitersubstrats gebildet sein. Üblicherweise wird ein solcher Hohlraum als SON-Hohlraum (SON = Silicon-On-Nothing = Silizium-auf-Nichts) bezeichnet.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die lichtemittierende Einheit als Lichtquelle eine elektrisch leitfähige Struktur, die in dem Halbleitermaterial gebildet ist. Die elektrisch leitfähige Struktur ist ausgebildet, um Licht zu emittieren, wenn eine Versorgungsspannung an Anschlüsse der elektrisch leitfähigen Struktur angelegt ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die elektrisch leitfähige Struktur ein kristallines, polykristallines oder amorphes Halbleitermaterial.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die elektrisch leitfähige Struktur einen elektrisch leitfähigen Faden, der sich senkrecht zu einer Richtung eines Lichtstrahls erstreckt, der aus der lichtemittierenden Einheit emittiert wird.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die lichtemittierende Einheit ferner einen Strahlformungsabschnitt, der ausgebildet ist, um Licht zu kollimieren, das aus der elektrisch leitfähigen Struktur emittiert wird. Der Strahlformungsabschnitt kann einen lichtreflektierenden gerundeten oder parabolischen Rand des Halbleitermaterials der lichtemittierenden Einheit aufweisen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen erstreckt sich die elektrisch leitfähige Struktur im Wesentlichen durch einen Brennpunkt des gerundeten oder parabolischen Randes.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die lichtemittierende Einheit ferner einen Filterabschnitt aufweist, der in dem Halbleitermaterial gebildet ist. Der Filterabschnitt kann ausgebildet sein, um zumindest ein Durchlassband in der spektralen Infrarotregion zu haben.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Filterabschnitt einen oder mehrere Gräben, die in das Halbleitermaterial der lichtemittierenden Einheit gebildet sind.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die lichtemittierende Einheit in einem Abschnitt des Halbleitermaterials angeordnet ist, der von einer Umgebung abgedichtet ist. Die lichtemittierende Einheit in dem abgedichteten Abschnitt kann zumindest teilweise von einem evakuierten Hohlraum umgeben sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das integrierte, lichtemittierende Bauelement ferner eine Abdichtungsschicht, die über der lichtemittierenden Einheit gebildet ist, und zumindest einen Hohlraum zwischen der lichtemittierenden Einheit und der Abdichtungsschicht.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist eine Breite des Wellenleiters kleiner ist als die Wellenlänge von Licht. Optional kann eine Höhe des Wellenleiters größer sein als die Wellenlänge von Licht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein integriertes Sensorbauelement bereitgestellt. Das integrierte Sensorbauelement umfasst ein Halbleitersubstrat, eine lichtemittierende Einheit, die in das Halbleitersubstrat gebildet ist, ein lichtdetektierende Einheit, die in das Halbleitersubstrat gebildet ist, und einen Wellenleiter, der in das Halbleitersubstrat zwischen der lichtemittierenden Einheit und der lichtdetektierenden Einheit gebildet ist. Der Wellenleiter ist in einem Abschnitt des Halbleitersubstrats gebildet ist, der offen zu einer Umgebung ist, um eine Wechselwirkung zwischen geführtem Licht und einem Messmedium bereitzustellen, das den Wellenleiter umgibt. Die lichtemittierende Einheit ist in einem Abschnitt des Halbleitersubstrats gebildet ist, der von der Umgebung abgedichtet ist. Ferner ist die lichtemittierende Einheit in dem abgedichteten Abschnitt zumindest teilweise von einem evakuierten Hohlraum umgeben.
Genauer gesagt können zumindest Teile des Hohlraumes unter Abschnitten der lichtemittierenden Einheit und über Abschnitten des Halbleitersubstrats gebildet sein. Üblicherweise wird ein solcher Hohlraum als SON-Hohlraum (SON = Silicon-On-Nothing) bezeichnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Bilden eines integrierten, lichtemittierenden Bauelements bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Integrieren einer lichtemittierenden Einheit in ein Halbleitermaterial eines Halbleitersubstrats und das Bilden von zumindest einem Hohlraum in das Halbleitermaterial zwischen dem Halbleitersubstrat und der lichtemittierenden Einheit. Es wird darauf hingewiesen, dass der zumindest eine Hohlraum tatsächlich in das Halbleitermaterial gebildet werden kann, bevor die lichtemittierende Einheit erzeugt wird.
Das Bilden des zumindest einen Hohlraums umfasst das Bilden eines Hohlraums unter der lichtemittierenden Einheit durch Verwenden einer SON-Verarbeitungssequenz (SON = Silicon-On- Nothing).
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Integrieren der lichtemittierenden Einheit das einstückige Bilden eines Wellenleiters in das Halbleitermaterial mit der lichtemittierenden Einheit.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Integrieren der lichtemittierenden Einheit das Bilden einer elektrisch leitfähigen Fadenstruktur in die lichtemittierende Einheit.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Integrieren der lichtemittierenden Einheit das Bilden einer Filterstruktur mit einem oder mehreren Gräben in das Halbleitermaterial.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Integrieren der lichtemittierenden Einheit das Bilden eines lichtreflektierenden gekrümmten oder parabolischen Randes in das Halbleitermaterial der lichtemittierenden Einheit, wobei der gekrümmte oder parabolische Rand als Strahlformungselement wirkt.
Ausführungsbeispiele können einen integrierten Lichtemitter, eine Kollimationseinheit und ein spektrales Filter auf einem einzelnen Halbleiterelement kombinieren. Dieses Element kann thermisch von einem umliegenden Material durch evakuierte Hohlräume isoliert sein. Dadurch kann eine effiziente Kollimation und Kopplung von Infrarotlicht (IR-Licht) in eine optische Subwellenlängenfaser sowie eine ausgezeichnete thermische Isolierung des Emitters bereitgestellt werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Einige Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend ausschließlich beispielhaft und bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen

1a eine Kohlendioxidkonzentration in einem ventiliertem Raum als eine Funktion von Zeit mit Lüftungsrate als Parameter darstellt;
1b eine Kohlendioxidkonzentration in einem Oberklassefahrzeug mit gestoppter Lüftung als eine Funktion von Zeit mit Belegung als Parameter darstellt;
1c ein schematisches Diagramm eines linearen nicht-dispersiven Gassensors mit einer optischen Weglänge im Bereich von Zentimetern zeigt;
2 ein Halbleiter-basiertes, integriertes lichtemittierendes Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt;
3 eine perspektivische Ansicht einer lichtemittierenden Einheit für IR-Spektralsensoren gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt;
4 ein simuliertes Übertragungsspektrum für einen Silizium/Vakuum-Schichtstapel darstellt, wie in 3 skizziert ist;
5 ein Flussdiagramm auf hoher Ebene eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiter-basierten, integrierten lichtemittierenden Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt;
6 verschiedene Prinzipien zum Bilden von SON-Hohlräumen (SON = Silicon-On-Nothing) zeigt;
7 eine finale Struktur eines Halbleiter-basierten, integrierten lichtemittierenden Bauelements nach Abdichtung und Evakuation darstellt; und
8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen des Halbleiter-basierten, integrierten lichtemittierenden Bauelements von 7 zeigt.

Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
Während sich dementsprechend weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, werden einige Beispiele derselben in den Figuren beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, Beispiele auf die offenbarten bestimmten Formen zu begrenzen, sondern im Gegensatz Beispiele alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken sollen. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Ausdrücke sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ usw.).
Die hier verwendete Terminologie bezweckt nur das Beschreiben bestimmter Beispiele und soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Nach hiesigem Gebrauch sollen die Singularformen „ein, eine“ und „das, der, die“ auch die Pluralformen umfassen, es sei denn im Zusammenhang wird deutlich etwas anderes angegeben. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweisen“ und/oder „aufweisend“ bei hiesigem Gebrauch das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bestandteile angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Zufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert besitzen alle hier benutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verstanden wird, zu dem Beispiele gehören. Weiterhin versteht es sich, dass Begriffe, z. B. die in gewöhnlich benutzten Wörterbüchern Definierten, als eine Bedeutung besitzend ausgelegt werden sollten, die ihrer Bedeutung im Zusammenhang der entsprechenden Technik entspricht, sofern sie hier nicht ausdrücklich anderweitig definiert sind.
Eine konstant zunehmende Anzahl von Publikationen und Konzepten beschäftigt sich mit der Detektion und Charakterisierung von Chemikalien in Gasen und anderen Fluiden. Die fortschreitende Miniaturisierung von Komponenten dieser Messsysteme bereitet den Weg für die Eröffnung neuer Märkte. Ein Beispiel ist die Messung von Kohlenstoffdioxidkonzentrationen (CO₂-Konzentrationen) in geschlossenen Umgebungen. Die American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE; Amerikanische Gesellschaft der Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungs-Installateure) gab etwas Einblick in die Rolle von bedarfsgesteuerter Lüftung (Ventilation) für Gebäude.
1a und 1b stellen die Konzentration von CO₂ in Autos und Gebäuden als eine Funktion der Zeit dar (Lüftungsrate, Belegung als Parameter). 1a zeigt ein Beispiel einer CO₂-Konzentration in einem gelüfteten Raum als eine Funktion der Zeit mit der Lüftungsrate als ein Parameter. 1b zeigt ein Beispiel einer CO₂-Konzentration in einem Oberklasseauto mit gestoppter Lüftung als eine Funktion der Zeit, mit der Belegung als ein Parameter.
Akzeptable CO₂-Pegel befinden sich im Bereich von 600 ppm (parts per million; Teilchen pro Million), Beschwerden im Hinblick auf Steifheit und Gerüche treten auf bei 600 bis 1000 ppm, allgemeine Benommenheit ist dem Bereich von 1000 - 2500 ppm zugeordnet. Für das Beispiel der CO₂-Konzentration in Fahrzeugen wird die Lüftung zu einem Sicherheitsthema. Andererseits ist die Kraftstoffeffizienz einer der Antriebsfaktoren bei der Fahrzeugautomatisierung. Eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs auf ein Niveau von bis zu 0,91/100km wurde geschätzt, wenn eine Sensor-gesteuerte Lüftung nach Bedarf anstelle von herkömmlichen Lüftungseinrichtungen verwendet wird.
Die Heizung in Wohn- und öffentlichen Gebäuden ist ein Hauptbeitragsfaktor der CO₂-Emission in Ländern in gemäßigten Breiten. In Deutschland ist der zugeordnete Energieverbrauch gegenwärtig ungefähr 7000kWh pro Person und Jahr. Dies entspricht einer CO₂-Emission von ungefähr 3,5 Tonnen (wobei Öl oder Erdgas als Hauptenergiequelle angenommen werden). Obwohl die Heizung von Gebäuden nur ein Drittel des Gesamtenergieverbrauchs in Deutschland ist, ist die CO₂-Emission zum Heizen von Gebäuden bereits gut über dem Niveau von 2 Tonnen pro Person und Jahr, die im Jahr im Hinblick auf die globale Erwärmung akzeptabel ist. Die Reduktion des Aufwandes zum Heizen von Gebäuden ist direkt verbunden mit einer gasdichten Konstruktion und einer bedarfsgesteuerten Lüftung als Basis für eine effiziente Wärmeisolierung.
Die oben dargestellten Fakten zeigen z.B. den Bedarf nach einer Sensor-gesteuerten Luftqualitätsverwaltung. Zwei Sensoransätze können als vielversprechende Kandidaten für eine verbreitete Verwendung in Gebäuden betrachtet werden: Nicht-dispersive Infrarot-Erfassungssysteme (NDIR-Erfassungssysteme; NDIR = Non-dispersive infrared) und photoakustische Sensoren. Obwohl beide Systeme eine ausreichende Auflösung und Schlüsselparameter zeigen, sind einige Hauptnachteile immer noch ungelöst - zuallererst die Sensorabmessungen und Kosten.
In den letzten Jahrzehnten wurde ein großer Bereich von Erfassungsprinzipien für eine Fluid- oder Gas-Detektion untersucht. Zum Beispiel kann eine Infrarot-Spektroskopie verwendet werden, die Strahlung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums verwendet (das heißt Strahlung mit Wellenlängen von ungefähr 2-25 µm). Viele heute moderne Sensoren, wie zum Beispiel nicht-dispersive Infrarot-CO₂-Sensoren (NDIR-CO₂-Sensoren) verwenden zum Beispiel die Infrarotregion des elektromagnetischen Spektrums zum Messen von Eigenschaften von Fluid- und/oder Gas-Proben. Solche Sensoren erzeugen eine IR-Strahlung, die, wenn sie in Kontakt mit den Proben gebracht wird, mit den Proben reagiert, um eine Änderung (zum Beispiel Dämpfung) bei der IR-Strahlung zu verursachen.
1c zeigt ein schematisches Diagramm eines herkömmlichen, linearen nicht-dispersiven Sensors 100. Der Sensor 100 umfasst eine Breitband-Infrarot-Lichtquelle 102, eine Probenkammer 103, ein oder mehrere Lichtfilter 108 und einen Infrarotdetektor 110. Die Probenkammer 103 kann einen Einlass 104 und einen Auslass 106 für die Probe aufweisen, die zum Beispiel Gas oder Fluid ist. Der Sensor 100 ist nicht-dispersiv im Sinn von optischer Dispersion, da Infrarotenergie durch die atmosphärische Probenkammer 103 ohne Deformation passieren darf. Hier kann die optische Weglänge des herkömmlichen Sensors 100 im Bereich von Zentimetern sein.
Der Sensor 100 misst Änderungen bei dem IR-Strahlungsspektrum, um Eigenschaften einer Probe in einer Probenkammer 103 zu bestimmen. Die Messung einer charakteristischen Absorption der Probe in dem IR-Strahlungsspektrum, die einen chemischen Fingerabdruck als bestimmte Substanzen darstellt, zeigt eine stärkere Absorption bei bestimmten Wellenlängen, die charakteristisch für die Substanz ist. Dieses Merkmal kann dadurch verwendet werden, dass die Substanz einer Breitband-IR-Strahlung ausgesetzt wird und die Absorption in dem Spektrum bestimmt wird, nachdem die Strahlung durch die Probe passiert ist oder diese teilweise durchdrungen hat.
Eines der Zielforschungsthemen für NDIR-Sensoren war die Optimierung und Reduktion der optischen Weglänge, die für eine CO₂-Detektion in dem 100 ppm-Bereich benötigt wird. Einige Untersuchungen ergaben einzelne Komponenten von NDIR-Sensoren als integrierte Teile eines Siliziumchips. Im Prinzip wurden alle Komponenten separat als Siliziumchips demonstriert. Der Gesamtvorteil der physikalischen Eigenschaften von Silizium im Hinblick auf die Infrarot-Wellenführung und Spektralfilterung wird jedoch kaum in mehr als einer Komponente genutzt.
Die Reduktion der optischen Weglänge (Millimeter- und Zentimeter-Bereich heute) ist ein zentrale Aufgabe auf dem Weg zu monolithisch integrierten (Gas-)Sensoren. Ein vielversprechender Ansatz ist die Anwendung von Evaneszenzoberflächenfeldern bei Wellenleitern mit Sub-Wellenlängen-Durchmessern. Um den ganzen Vorteil aus diesem Konzept zu ziehen, ist eine effiziente Kollimation und Kopplung von Infrarotlicht in die Sub-Wellenlängen-Faser sowie eine ausgezeichnete thermische Isolierung des Lichtemitters wesentlich. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung widmen sich diesem Punkt.
Bezugnehmend nun auf 2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines integrierten, lichtemittierenden Halbleiterbauelements 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt.
Das integrierte, lichtemittierende Bauelement 200 umfasst ein Halbleitersubstrat 205, wie zum Beispiel einen Halbleiterwafer. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat 205 mit einer n-Typ- oder p-Typ-Dotierstoffkonzentration dotiert sein oder kann undotiert sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Halbleitersubstrat 205 eine Epitaxialschicht aufweisen. Das Halbleitersubstrat 205 ist aus Halbleitermaterial hergestellt, wie zum Beispiel Silizium (Si) oder Germanium (Ge). Es wird daraufhingewiesen, dass im Prinzip auch andere Halbleitermaterialien möglich sind, solange sie einen Bandabstand zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband bereitstellen, der angemessen zum Leiten von Licht durch das Halbleitermaterial ist. Das integrierte, lichtemittierende Bauelement 200 umfasst ferner eine lichtemittierende Einheit 210, die in das Halbleitermaterial des Substrats 205 integriert ist. Anders ausgedrückt ist die lichtemittierende Einheit 210 gebildet aus oder strukturiert in ein Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 205. Das heißt, die lichtemittierende Einheit 210 und das Substrat 205 können monolithisch gebildet sein. Verschiedene Ausführungsbeispiele des integrierten, lichtemittierenden Bauelements 200 sind dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Hohlraum 215 in das Halbleitermaterial zwischen dem Substrat 105 und der lichtemittierenden Einheit 210 gebildet ist. Der Hohlraum 215 trennt die Halbleiter-basierte, lichtemittierende Einheit 210 von dem verbleibenden Halbleitersubstrat 205, wodurch eine thermische Isolierung zwischen der lichtemittierenden Einheit 210 und dem Halbleitersubstrat 205 bereitgestellt wird. Für eine optimale thermische Isolierung kann der Hohlraum 215 evakuiert sein. Die lichtemittierende Einheit 210 über unteren oder Boden-Abschnitten des Hohlraums 215 kann in einer sogenannten SON-Lagenschicht (SON = Silicon-On-Nothing) bereitgestellt sein. Folglich kann der Teil des Hohlraums 215 unter der lichtemittierenden Einheit 210 ein SON-Hohlraum sein.
Wie in 2 skizziert ist, kann der Halbleiterkörper der lichtemittierenden Einheit 210 eine elektrisch leitfähige Fadenstruktur 212 als Lichtquelle aufweisen - ähnlich zu dem Faden einer Glühbirne. Andere Lichtquellenimplementierungen, wie zum Beispiel elektrisch leitfähige Platten oder lichtemittierende Dioden (LEDs; Light-Emitting Diodes) sind zum Beispiel ebenfalls denkbar. Das Bilden der Fadenstruktur kann jedoch synergistisch mit dem Bilden anderer ähnlicher Strukturen in dem Halbleiterbauelement 200 kombiniert werden, wie zum Beispiel Gräben für optische Filter, Transistoren oder Kondensatoren. Die elektrisch leitfähige Fadenstruktur 212 kann in dem Halbleiterkörper der lichtemittierenden Einheit 210 zum Beispiel durch Verwenden einer herkömmlichen Tief-Graben-Ätzverarbeitungstechnik gebildet werden. Eine Struktur mit einer angemessenen Ausdehnung von einigen Mikrometern bis mehreren zehn Mikrometern kann in den Halbleiterkörper der lichtemittierenden Einheit 210 geätzt werden und dann mit elektrisch leitfähigem Material befüllt werden, um den leitfähigen Faden zu erhalten. Einige Beispiele von geeignetem, elektrisch leitfähigem Material für den Faden 212 umfassen Wolfram, polykristallines, kristallines oder amorphes Halbleitermaterial. Einige Ausführungsbeispiele verwenden einen Abschnitt der SON-Silizium-Schicht als das emittierende Element. In diesem Fall umgibt eine Grabenstruktur den Abschnitt, wobei nur kleine Einrichtungen zwischen der emittierenden Einheit und dem umliegenden Material ausgelassen sind.
Bei dem Beispiel von 2 erstreckt sich die elektrisch leitfähige Fadenstruktur 212 vertikal von einer oberen Oberfläche 214 des Halbleiterkörpers der lichtemittierenden Einheit 210 zu einer unteren Oberfläche 214 des Halbleiterkörpers der lichtemittierenden Einheit. Das heißt, die elektrisch leitfähige Fadenstruktur 212 erstreckt sich senkrecht zu einer Richtung des Lichts, das aus der lichtemittierenden Einheit 210 emittiert wird. Entsprechende elektrische Versorgungsanschlüsse (nicht gezeigt) können an das obere und untere Ende der elektrisch leitfähigen Fadenstruktur 212 bereitgestellt sein. Auf diese Weise kann die elektrisch leitfähige Fadenstruktur 212 ausgebildet sein, um (IR-)Licht abzustrahlen, wenn eine angemessene Versorgungsspannung von unter 1V bis 20V an die Versorgungsanschlüsse angelegt ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass sich der zumindest eine Hohlraum 215 zwischen der unteren Oberfläche 214 der lichtemittierenden Einheit 210 und einer oberen Oberfläche 218 des Halbleitersubstrats 205 erstreckt. Die untere Oberfläche 214 und die obere Oberfläche 218 sind einander zugewandt. Der zumindest einen Hohlraum 215 stellt eine thermische Isolierung zwischen der lichtemittierenden Einheit 210 und dem Halbleitersubstrat 205 bereit. Wie in 2 angezeigt ist, kann der isolierende Hohlraum 215 im Wesentlichen den gesamten Halbleiterkörper der lichtemittierenden Einheit 210 umgeben, um die lichtemittierende Einheit 210 von dem verbleibenden Halbleitersubstrat 205 thermisch zu isolierenden, aus dem die lichtemittierende Einheit 210 gebildet wurde. Das heißt, der Hohlraum 215 trennt den Halbleiterkörper der lichtemittierenden Einheit 210 und das Substrat 205 möglicherweise nicht nur lateral, sondern auch vertikal.
Um die lichtemittierende Einheit 210 in dem Hohlraum 215 zu befestigen oder zu fixieren, kann das integrierte, lichtemittierende Bauelement 200 eine oder mehrere Stütz- oder Fixierungs-Strukturen 240 aufweisen, die zwischen dem Substrat 205 und der lichtemittierenden Einheit 210 abgeschieden sind. Die Stütz- oder Fixierungs-Strukturen 240 sind ausgebildet, um die lichtemittierende Einheit 210 in dem Hohlraum 215 zu befestigen. Hier sind die Stützstrukturen 240 als Stege ausgebildet. Bei einigen Ausführungsbeispielen könne die eine oder die mehreren Stützstrukturen 240 ein Isoliermaterial aufweisen, zum Beispiel ein Oxid des Halbleitermaterials, wie zum Beispiel Siliziumdioxid (SiO₂). Es wird darauf hingewiesen, dass die SiO₂-Fixierung 240 eine viel geringere thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu dem Si der lichtemittierenden Einheit 210 aufweist. Die thermische Isolierung zwischen der lichtemittierenden Einheit 210 und dem Substrat kann somit beibehalten werden. In diesem Kontext wird der Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass die Stütz- oder Fixierungs-Strukturen 240 möglichst klein dimensioniert sein sollten für ein möglichstes Maximieren der thermischen Isolierung. Die Stützstrukturen 240 können z.B. durch selektives Strukturieren/Oxidation des Halbleitersubstrats erhalten werden.
Wie durch 2 angezeigt wird, kann das integrierte, lichtemittierende Bauelement 200 ferner einen optionalen Wellenleiter 220 aufweisen, der mit einem Lichtauslass 222 der lichtemittierenden Einheit 210 gekoppelt ist. Der Wellenleiter 220 kann ausgebildet sein, um eine Wechselwirkung zwischen Licht, das aus der lichtemittierenden Einheit 210 emittiert und durch den Wellenleiter 220 geleitet wird, und einem Messmedium (zum Beispiel Gas, Fluid), das den Wellenleiter 220 umgibt, bereitzustellen. Das übermittelte Licht bildet eine Evaneszenzfeld, das sich aus dem Wellenleiter 220 erstreckt, um mit einer Probe in Wechselwirkung zu treten, zum Beispiel einem Gas oder einem Fluid, die in Teilen des Evaneszenzfeldes positioniert ist. Da das Evaneszenzfeld mit dem Messmedium in Wechselwirkung tritt, wird die Strahlung, die durch den Wellenleiter 220 geleitet wird, gemäß einer oder mehreren Charakteristika des Messmediums gedämpft (zum Beispiel wird die Strahlung insbesondere in einer Wellenlängenregion absorbiert, die der Wellenlänge der geleiteten Welle oder Wellen entspricht). Ein optionaler Licht- oder Strahlungs-Detektor 260 kann ausgebildet sein, um die gedämpfte IR-Strahlung zu empfangen und um die eine oder die mehreren Charakteristika der Probe aus der gedämpften IR-Strahlung zu bestimmen. Der Strahlungsdetektor 260 kann einen auf einem CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor; komplementärer Metalloxidhalbleiter) basierenden InfrarotPhotodetektor umfassen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der optionale Strahlungsdetektor 260 einen Strahlungsdetektor aufweisen, der in das Halbleitersubstrat 205 integriert ist, während bei anderen Ausführungsbeispielen der Strahlungsdetektor 260 einen externen Strahlungsdetektor aufweisen kann.
Einige Ausführungsbeispiele verwenden Evaneszenz-Oberflächenfelder und ein Phänomen genannt „verhinderte (interne) Gesamtreflexion“ (frustrated total (internal) reflection). Die interne Gesamtreflexion tritt an der Grenze von zwei dielektrischen Medien auf, zum Beispiel zwischen Wellenleiter 220 und Messmedium, das den Wellenleiter 220 umgibt, wenn sich eine Lichtwelle von einem optisch dichterem Medium mit Brechungsindex n₁ in eines niedrigerer Dichte mit einem Brechungsindex n₂ ausbreitet und der Einfallswinkel den kritischen Winkel überschreitet, gegeben durch arcsin (n₂/n₁). Sogar wenn jedoch der Einfallswinkel größer ist als der kritische Winkel, dringt das elektrische Feld in das benachbarte Medium in der Form einer evaneszenten Welle ein. Die Eindringtiefe ist in der Größenordnung einer Wellenlänge und kann gemessen werden durch „Verhindern“ der Reflexion durch Addieren eines optisch dichten dritten Mediums in einer Distanz in der Größenordnung einer Wellenlänge von dem ersten Medium, wobei in diesem Fall die evaneszente Welle mit dem dritten Medium gekoppelt ist und Energie trägt. Die Kopplungsstärke fällt annähernd exponential ab, wenn sich die Distanz zwischen dem ersten und dem dritten Medium erhöht.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 sind der Wellenleiter 220 und die lichtemittierende Einheit 210 einstückig oder monolithisch in dem Halbleitermaterial gebildet. Das heißt, sowohl ein Körper der lichtemittierenden Einheit 210 als auch der Wellenleiter 220 können aus einem Stück desselben Halbleitermaterials gebildet sein, das durch das Halbleitersubstrat 205 bereitgestellt wird. Somit kann der Wellenleiter 220 bei einigen Ausführungsbeispielen ein Silizium-Wellenleiter sein. Dies ermöglicht eine besonders gute Licht-Emission und -Leitung, wobei Verluste minimiert werden. Der Wellenleiter 220 kann ferner in einen Hohlraum 215' eingebettet sein. Zumindest Teile des Hohlraums 215' können durch eine SON-Prozesstechnik gebildet werden. Der Hohlraum 215' kann eine thermische Isolierung zwischen dem Wellenleiter 220 und dem Halbleitersubstrat 205 bereitstellen sowie eine Messkammer für eine Wechselwirkung zwischen dem geleiteten Licht und einem Messmedium, das den Wellenleiter 220 umgibt. Der Fachmann auf dem Gebiet, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, wird erkennen, dass eine separate Anordnung von lichtemittierender Einheit 210 und Wellenleiter ebenfalls möglich ist.
Optional kann die lichtemittierende Einheit 210 auch einen Filterabschnitt 230 aufweisen, der in dem Halbleiterkörper der lichtemittierenden Einheit 210 gebildet ist. Der Filterabschnitt 230 kann zwischen der Breitband-Infrarot-Lichtquelle 212 und dem Lichtauslass der lichtemittierenden Einheit 222 positioniert sein, um das Breitband-Infrarotspektrum zu filtern, das durch die Lichtquelle 112 abgestrahlt wird, auf eine Weise, die dafür sorgt, dass eine Schmalband-Infrarotstrahlung durch den Wellenleiter 220 übermittelt wird. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Filterabschnitt 230 einen oder mehrere im Wesentlichen parallele Gräben 232, die sich vertikal in das Halbleitermaterial der lichtemittierenden Einheit 210 erstrecken. Eine andere Implementierung eines optischen Filters, wie zum Beispiel photonische Kristalle, sind ebenfalls denkbar. Das Bilden der Gräben kann jedoch synergistisch mit dem Bilden anderer Strukturen in dem Halbleiterbauelement 200 kombiniert werden, wie zum Beispiel Transistoren oder Kondensatoren. Die Breiten der jeweiligen Gräben können angepasst werden, um ein Durchlassband (pass band) des Filterabschnitts 230 in der spektralen Infrarotregion bereitzustellen. Die Person, die einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, wird erkennen, dass dieselben Grabenätzprozessschritte verwendet werden können, um ein oder mehrere vertikale Löcher für die elektrisch leitfähige Fadenstruktur 212 und die Gräben 232 des Filterabschnitts 230 zu bilden.
Eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Halbleiterkomponente 300 eines integrierten, lichtemittierenden Bauelements ist in 3 gezeigt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Darstellung von 3 weder ein Halbleitersubstrat noch Hohlräume zwischen dem Halbleitersubstrat und der Halbleiterkomponente 300 zeigt.
Die dargestellte Halbleiterkomponente 300 umfasst einen lichtemittierenden Abschnitt 310 und einen Wellenleiterabschnitt 320. Der lichtemittierende Abschnitt 310 und der Wellenleiterabschnitt 320 sind einstückig aus dem Halbleitermaterial einer SON-Lagenschicht gebildet, das heißt einer Halbleiterschicht, die einen SON-Hohlraum abdeckt. Das heißt, in dem gezeigten Beispiel bilden der lichtemittierende Abschnitt 310 und der Wellenleiterabschnitt 320 ein einzelnes Stück Halbleitermaterial. Ein IR-Signal kann somit direkt von dem lichtemittierenden Abschnitt 310 zu dem Wellenleiterabschnitt 320 gekoppelt werden. Es kann vorteilhaft sein, Subwellenlängenabmessungen für Breite w und/oder Höhe h des Wellenleiters 320 zu verwenden. Für eine Beispiel-Wellenlänge von 4,3 µm kann die Breite w zum Beispiel ungefähr 2 µm sein. Wie vorangehend erwähnt wurde, kann dies die Absorptionslänge, die benötigt wird, um mehrere Größenordnungen reduzieren. Bei dem dargestellten Beispiel ist eine vertikale Höhe h des Wellenleiterabschnitts 320 größer als eine laterale Breite w des Wellenleiterabschnitts 320. Dies kann für Herstellungszwecke vorteilhaft sein. Für den erwähnten Effekt einer „verhinderten (internen) Gesamtreflexion“ sollten w und/oder h kleiner sein als die Wellenlänge des Lichts. Eine Dotierung in dem Wellenleiter 320 sollte nicht zu groß sein. Bei einigen Beispielen sollte die Konzentration von n- oder p-Typ-Dotierstoffen kleiner sein als 10¹⁵/cm³
Da eine laterale Breite des lichtemittierenden Abschnitts 310 größer ist als die laterale Breite w des Wellenleiterabschnitts 320 ist ein Übergang 322 von dem lichtemittierenden Abschnitt 310 zu dem Wellenleiterabschnitt 320 bei dem Ausführungsbeispiel von 3 trompetenförmig gebildet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass andere Geometrien des lichtemittierenden Abschnitts 310 und des Wellenleiterabschnitts 320 ebenfalls möglich sind.
Wie bereits bezugnehmend auf 2 erklärt wurde, umfasst der lichtemittierende Abschnitt 310 von 3 eine Breitband-IR-Lichtquelle 312 und eine Filterstruktur 330, die in dem Halbleitermaterial zwischen der Lichtquelle 312 und dem Wellenleiterabschnitt 320 gebildet ist. Die Filterstruktur 330 umfasst eine Mehrzahl von Gräben 332, die in das Halbleitermaterial des lichtemittierenden Abschnitts 310 gebildet sind. Die Mehrzahl der Gräben 332 kann jeweils evakuiert sein. Ferner können unterschiedliche Gräben 332-1, 332-2 eine unterschiedliche jeweilige Dicke b₁, b₂ aufweisen. Die jeweiligen Abmessungen der unterschiedlichen Gräben sind relevant für das Durchlassband der optischen Filterstruktur 330. Ein Beispiel für einen Infrarotfilterstapel wurde unter Verwendung von Silizium und Vakuum für abwechselnde optische Schichten berechnet. Die Dicken einzelner Schichten sind weit innerhalb der Größenordnung von Verarbeitungsfähigkeiten im Hinblick auf Tiefgrabenätzen auf dem Stand der Technik. Das simulierte Übertragungsspektrum für einen Silizium/Vakuum-Schichtstapel, wie in 3 skizziert ist, ist in 4 gezeigt.
Wie aus 4 ersichtlich ist, führt das Bereitstellen der Filterstruktur 330 mit einem Stapel Silizium/Vakuum-Schichten mit den respektiven dargestellten Dicken zu einem schmalen Durchlassband um eine IR-Wellenlänge von ungefähr 4,3 µm.
Zurück zu 3 umfasst der lichtemittierende Abschnitt 310 ferner einen Strahlformungsabschnitt 350 am Ende gegenüber dem Wellenleiterabschnitt 320. Der Strahlformungsabschnitt 350 ist ausgebildet, um Licht, das aus der Lichtquelle 312 abgestrahlt wird, zu kollimieren. Bei dem gezeigten Beispiel umfasst der Strahlformungsabschnitt 350 einen lichtreflektierenden gekrümmten oder parabolischen Rand des Halbleitermaterials der lichtemittierenden Einheit. Vorzugsweise erstreckt sich die Lichtquelle 312, zum Beispiel der elektrisch leitfähige Faden, im Wesentlichen durch einen Mittelpunkt des abgerundeten oder parabolischen Randes. Hier entspricht der elektrisch leitfähige Faden 312 im Wesentlichen einer Brennlinie, die sich von einer oberen Oberfläche 314 zu einer unteren Oberfläche des parabolischen Strahlformungsabschnitts 350 erstreckt. Der Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass auch Linsenstrukturen als optischer Kollimator implementiert sein könnten. Auch in diesem Fall wäre die Lichtquelle in dem Brennpunkt der Linse positioniert.
Wie schematisch durch 5 gezeigt ist, stellen Ausführungsbeispiele auch ein Verfahren 500 zum Bilden des integrierten, lichtemittierenden Bauelements 200 bereit.
Das Verfahren 500 umfasst das Integrieren 510 des lichtemittierenden Abschnitts 210, 310 in das Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 205 und das Bilden 520 des zumindest einen Hohlraums 215 in das Halbleitermaterial zwischen dem Halbleitersubstrat 205 und dem lichtemittierenden Abschnitt 210, 310. Wie ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennen wird, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, sind das Integrieren 510 des lichtemittierenden Abschnitts 210, 310 und das Bilden 520 des zumindest einen Hohlraums 215 in enger Wechselbeziehung. Der lichtemittierende Abschnitt 210, 310 wird in das Halbleitersubstrat 205 gebildet durch Bilden 520 des zumindest einen Hohlraums 215 unter und/oder neben und/oder über dem lichtemittierenden Abschnitt 210, 310 und umgekehrt. Das heißt, eine Reihenfolge der Schritte 510 und 520 kann auch umgekehrt werden.
Einige Ausführungsbeispiele verwenden eine sogenannte SON-Verarbeitungssequenz (SON = Silicon-On-Nothing) zum Bilden des zumindest einen Hohlraums 215 und/oder zum Bereitstellen weiterer Basisstrukturelemente des integrierten, lichtemittierenden Bauelements 200. Anders ausgedrückt kann der zumindest eine Hohlraum 215 zwischen dem Substrat 205 und der lichtemittierenden Einheit 210 durch Anwenden einer SON-Verarbeitungssequenz bereitgestellt werden, wobei ein Beispiel derselben nachfolgend detaillierter erklärt wird.
Nach dem Bilden einer SON-Lagenschicht, in der der lichtemittierende Abschnitt 210, 310 und der Wellenleiterabschnitt 220, 320 später strukturiert werden können, kann ein tiefes Grabenätzen Faden- 212, 312, Übertragungsfilter- 230, 330 und Emittier-/Absorptions-Abschnitte definieren. Zwischenoxidationsprozesse können SiliziumFixierungen 240 zwischen Substrat 205 und lichtemittierender Einheit 210, 310 in eine Siliziumoxidschicht transformieren. Auf diese Weise kann die Leitung thermischer Leistung zwischen Emitter und Substrat 205 minimiert werden.
Neben der Verwendung von Opferschichten unter der SON-Lagenschicht für die Herstellung einer SON-Struktur (SON = Silicon-On-Nothing) kann ein weiteres praktisches Verfahren zum Erhalten von SON-Strukturen mit einer gewünschten Größe und Form die sogenannte ESS-Bildungstechnik (ESS = Empty-Space-in-Silicon) verwenden. Es wurde gezeigt, dass eine SON-Struktur präzise durch die anfängliche Form und das Layout von Gräben gesteuert werden kann. Die Größe des ESS wird durch die Größe des oder der anfänglichen Gräben bestimmt. Die gewünschten Formen von ESS, wie zum Beispiel kugelförmig, rohrförmig und plattenförmig, können hergestellt werden durch Ändern der Anordnung der anfänglichen Gräben. Einige Beispiele einer SON-Verarbeitung verwenden die selbstausrichtende Rekristallisierung, die durch eine Silizium-Oberflächenmigration verursacht wird. Die anfängliche Grabenform, die auf das Siliziumsubstrat strukturiert ist, kann als der wichtigste Faktor zum Herstellen einer SON-Struktur betrachtet werden. Die Grabenstruktur wird transformiert, um die Oberflächenenergie zu minimieren, wenn sie in einer deoxidierenden Umgebung ausgeheilt wird, wie zum Beispiel Wasserstoff.
Die Grabentransformation durch Oberflächenmigration führt zu dem ESS (Empty-Space-in-Silicon; Leer-Raum-In-Silizium). Die SON-Struktur kann auf diese Weise aus einer SON-Lagenschicht über ESS hergestellt werden. Typische Beispiele einer ESS-Formation, deren Formen kugelförmig, rohrförmig und plattenförmig sind, sind schematisch in 6 dargestellt.
Ein isolierter tiefer Graben 601 kann in einen kugelförmigen ESS 602 transformiert werden, siehe 6a. Die Bildung des kugelförmigen ESS beginnt an der oberen und unteren Ecke des tiefen Grabens, da der Krümmungsradius dieser Regionen am kleinsten ist. Dieses Ergebnis zeigt an, dass der Durchmesser des kugelförmigen ESS größer wird als der des anfänglichen Grabens. Somit werden Gräben 603, die nahe in einer Reihe angeordnet sind, in den rohrförmigen ESS 604 transformiert, aufgrund der Kombination des gewachsenen kugelförmigen ESS am Boden jedes Grabens, siehe 6b. Ein plattenförmiger ESS 606 kann durch Entwickeln dieser Technik ebenfalls hergestellt werden. Durch Anordnen der Gräben in einem Gitter 605 werden die kugelförmigen ESS am Boden aller Gräben kombiniert und sie werden in einen großen, dünnen, plattenförmigen ESS 606 transformiert, siehe 6c.
Bezugnehmend nun auf 7 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines integrierten lichtemittierenden Halbleiterbauelements 700 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Kürze halber wird eine detaillierte Beschreibung von ähnlichen oder gleichen Elementen, die vorangehend beschrieben wurden, weggelassen.
Das integrierte Halbleiterbauelement 700 umfasst ein Halbleitersubstrat 705. Bei einer SON-Lagenschicht 707 über dem Halbleitersubstrat 705 umfasst das integrierte Halbleiterbauelement 700 eine lichtemittierende Einheit 310, die einstückig mit einem Wellenleiter 320 in der SON-Lagenschicht 707 gebildet ist. Die lichtemittierende Einheit 310 und der Wellenleiter 320 wurden detailliert bezugnehmend auf 3 erklärt. Über der SON-Lagenschicht 707 umfasst das integrierte Halbleiterbauelement 700 ferner eine Abdichtungsschicht 709. Die Abdichtungsschicht 709 kann verschiedene Abdichtungsmaterialien aufweisen, wie zum Beispiel thermoplastische, Elastomer- oder metallische Materialien. Hier sind Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Polysiliziumschichten ebenfalls geeignete Kandidaten. SiO₂-Fixierungen 740 und 740' befestigen lichtemittierende Einheit 310 und Wellenleiter 320 zwischen dem Halbleitersubstrat 705 und der Abdichtungsschicht 709. Gleichzeitig dichten die Fixierungen 740 und 740' die lichtemittierende Einheit 310 von einer Messumgebung ab. Anders ausgedrückt ist die lichtemittierende Einheit 310 in einem Abschnitt des Halbleiterbauelements 700 angeordnet, der hin zu einer Außenumgebung abgedichtet ist. Grenzen oder Seitenwände des abgedichteten Abschnitts sind durch das Substrat 705 (unten), die Abdichtungsschicht 709 (oben) und die SiO₂-Fixierungen 740 und 740' gebildet. Die lichtemittierende Einheit 310 in dem abgedichteten Abschnitt ist umgeben von oder eingebettet in einem evakuierten Hohlraum 715 für eine thermische Isolierung. Wie aus dem darstellenden Beispiel von 7 ersichtlich ist, kann die lichtemittierende Einheit 310 durch den evakuierten Hohlraum 715 von unten, oben, links, vorne und hinten in Bezug auf die lichtemittierende Einheit 310 umgeben sein. Nur die rechte Seite der lichtemittierenden Einheit 310 mit dem optischen Seitwärtssignalausgang kann durch die SiO₂-Fixierungen 740 und 740' gestützt werden und an die Messumgebung angrenzen. Zumindest der Hohlraumabschnitt unter der lichtemittierenden Einheit 310 kann durch SON-Verarbeitung gebildet werden. Der Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass andere Geometrien ebenfalls gut für eine ausreichende thermische Isolierung zwischen Halbleitersubstrat 705 und lichtemittierender Einheit 310 geeignet sein können.
Der Halbleiter-basierte Wellenleiter 320 erstreckt sich von der lichtemittierenden Einheit 310 in den abgedichteten Abschnitt 710 zu einem Abschnitt 720 des Halbleiterbauelements 700, der offen hin zu der Messumgebung ist. Dieser offene Abschnitt 720 kann auch als Absorptions-Abschnitt oder -Einheit bezeichnet werden. Der Wellenleiter 320, der sich durch den offenen Absorptionsabschnitt 720 erstreckt, ist ausgebildet, um eine Wechselwirkung zwischen dem geführten Licht und einem Messmedium bereitzustellen, wie zum Beispiel einem Gas oder einer Flüssigkeit, das/die den Wellenleiter 320 in dem Absorptionsabschnitt umgibt. Zum Beispiel kann die Abdichtungsschicht 709 über dem Wellenleiter 320 in dem Absorptionsabschnitt 720 zumindest teilweise offen sein, um Einlässe und/oder Auslässe bereitzustellen. Eine Länge des Wellenleiters 320, das heißt die optische Weglänge, kann in dem Bereich von 10 µm bis zu mehreren 100 µm sein.
Ein Ausführungsbeispiel eines integrierten Halbleiterbauelements 700 kann unter Verwendung des Beispielverfahrens 800 hergestellt werden, das in 8 dargestellt ist. Es wird darauf hingewiesen, dass während das Verfahren 800 nachfolgend als eine Reihe von Schritten oder Ereignissen dargestellt und beschrieben ist, die dargestellte Ordnung solcher Schritte oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinn interpretiert werden soll. Zum Beispiel können einige Schritte in unterschiedlichen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Schritten oder Ereignissen auftreten, abgesehen von jenen, die hierin dargestellt und/oder beschrieben sind. Zusätzlich dazu sind möglicherweise nicht alle dargestellten Schritte erforderlich, um einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsbeispiele der Offenbarung hierin zu implementieren. Ferner können einer oder mehrere der hierin gezeigten Schritte in einem oder mehreren separaten Schritten und/oder Phasen ausgeführt werden.
Das Verfahren 800 beginnt mit der Bereitstellung einer geeigneten Dotierung 810 eines Si-Wafers. Zum Beispiel könnten bestimmte Regionen der späteren lichtemittierenden Einheit 310 dotiert werden. In einem weiteren Schritt 820 können die SON-Hohlräume 715, 715' verarbeitet werden. Dies kann das Ätzen von Opferschichten und/oder ESS-Bildung umfassen, wie zum Beispiel vorangehend erklärt wurde. Bei einem nachfolgenden Schritt 830 können der lichtemittierende und Wellenleiter-Abschnitt 310, 320 über den SON-Hohlräumen 715, 715' in dem Halbleitersubstrat durch weitere Schritte eines Tiefgrabenätzens gebildet werden. Um die Abschnitte der Hohlräume 715, 715' über dem lichtemittierenden und Wellenleiter-Abschnitt 310, 320 zu erhalten, können ein oder mehrere weitere Opferschichten über der SON-Lagenschicht 707 bei einem Schritt 840 abgeschieden und strukturiert werden. Während dieses Schrittes kann die obere SiO₂-Fixierung 740' erhalten werden. Danach kann bei einem Schritt 850 eine Abdichtungsschicht 709 über der SON-Lagenschicht 707 abgeschieden und strukturiert werden. Bei einem weiteren Schritt 860 können Opferschichten durch selektives Ätzen entfernt werden. Abschließend können Metallisierungsschichten für elektrisches Leiten und/oder Kontakte strukturiert werden, siehe 870.
Wenn die integrierten, lichtemittierenden Bauelemente 200, 700 mit einem Lichtsensor oder Detektor kombiniert werden, die auf demselben Halbleitersubstrat integriert sind, kann ein integriertes Sensorbauelement bereitgestellt werden. Das integrierte Sensorbauelement umfasst dann ein Halbleitersubstrat, eine lichtemittierende Einheit, die in das Halbleitersubstrat gebildet ist, eine lichtdetektierende Einheit, die in das Halbleitersubstrat gebildet ist und einen Wellenleiter, der in das Halbleitersubstrat zwischen der lichtemittierenden Einheit und der lichtdetektierenden Einheit gebildet ist. Der Wellenleiter ist in einem Abschnitt des Halbleitersubstrats gebildet, der zu einer Umgebung hin offen ist, um eine Wechselwirkung zwischen geführtem Licht und einem Messmedium bereitzustellen, das den Wellenleiter umgibt. Die lichtemittierende Einheit ist in einem Abschnitt des Halbleitersubstrats gebildet, der von der Umgebung abgedichtet ist. Ferner ist die lichtemittierende Einheit in dem abgedichteten Abschnitt zumindest teilweise durch einen evakuierten Hohlraum umgeben. Das integrierte Sensorbauelement kann zum Beispiel als NDIR-CO₂-Sensor verwendet werden.
Zusammenfassend kombinieren einige Ausführungsbeispiele einen integrierten Infrarotemitter, eine Kollimationseinheit und ein Spektralfilter auf einem einzelnen Siliziumelement. Dieses Element ist thermisch von dem umliegenden Material durch evakuierte Hohlräume isoliert. Einige Ausführungsbeispiele stellen eine Infrarot-emittierende Einheit bereit, die das Signal direkt in ein Faserelement koppeln kann für eine direkte Wechselwirkung von IR-Signal und umliegendem Fluid. Die Verwendung von Silizium als Emitter- und Wellenleiter-Material kann zu einer sehr kompakten Integration von Kollimator- und Filterelement führen. Eine Seitwärts-Haupt-Ausbreitung von Infrarotsignalen ermöglicht eine einfache Weise der Integration von optischen Elementen. Die Verwendung einer kombinierten Silizium-Auf-Nichts- und Abdichtungs-Technik garantiert minimale thermische Verluste durch Bereitstellen eines evakuierten Hohlraums, der das Emitterelement umgibt.
Verschiedene Ausführungsbeispiele umfassen:

o Infrarot-emittierendes Element mit Seitwärtssignalausgang
o Element, das aus SON-Silizium hergestellt ist, mit einem Faden, der von Strahlformungselementen und Filtern umgeben ist, auf derselben Ebene innerhalb der Siliziumkonstruktion
o eine emittierende Einheit, die von einem evakuierten Hohlraum umgeben ist
o eine emittierende Einheit, die den IR-Strahl direkt in einen Silizium-Wellenleiter auf derselben Ebene innerhalb der Siliziumkonstruktion koppelt
o ein Wellenleiterelement, das mit Hilfe von SON- und Tief-Graben-Ätzprozessen gebildet wird, das bei einem Ausführungsbeispiel als ein Subwellenlängen-Wellenleiter gebildet ist (betreffend Breite und/oder Höhe)

Die oben gezeigten Beispiele können so ausgebildet sein, dass Teilen weggelassen sind, wie zum Beispiel eine emittierende Einheit ohne ein Filtersystem. Weiterhin können andere Elemente kombiniert sein. Ein Beispiel wäre ein Drain für nicht verwendete Spektralkomponenten, die an die emittierende Einheit angebracht sind. Ein solcher Drain könnte ein Filtersystem sein, das eine invertierte Übertragungsfunktionalität im Vergleich zu dem Filter aufweist, das in 4 gezeigt ist. Dieses zweite Filter kann mit dem Kollimator in definierten Regionen kombiniert sein. Der emittierende Faden kann auch auf nicht-zylindrische Weise gebildet sein (zum Beispiel als eine Platte).
Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Es versteht sich daher, dass der Fachmann verschiedene Anordnungen ableiten kann, die, obwohl sie nicht ausdrücklich hier beschrieben oder dargestellt sind, die Grundsätze der Offenbarung verkörpern und in ihrem Sinn und Rahmen enthalten sind. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele ausdrücklich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen, und sollen als ohne Begrenzung solcher besonders aufgeführten Beispiele und Bedingungen dienend aufgefasst werden. Weiterhin sollen alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung wie auch besondere Beispiele derselben deren Entsprechungen umfassen.
Weiterhin sind die nachfolgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Wenn jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine besondere Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs einschließen können. Diese Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
Es ist weiterhin zu beachten, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung mit Mitteln zum Durchführen jeder der jeweiligen Schritte dieser Verfahren implementiert sein können.
Weiterhin versteht es sich, dass die Offenbarung vielfacher, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden sollte. Durch die Offenbarung von vielfachen Schritten oder Funktionen werden diese daher nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Weiterhin kann in einigen Beispielen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte einschließen oder in diese aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts bilden, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.

Claims

Integriertes, lichtemittierendes Bauelement (200; 700), umfassend: ein Substrat (205; 207), das ein Halbleitermaterial umfasst; eine lichtemittierende Einheit (210; 310), die in das Halbleitermaterial integriert ist; und zumindest einen Hohlraum (215; 715), der in das Halbleitermaterial zwischen dem Substrat (205; 705) und der lichtemittierenden Einheit (210; 310) gebildet ist, ferner umfassend: einen Wellenleiter (220; 320), der mit einem Lichtauslass (222; 322) der lichtemittierenden Einheit (210; 310) gekoppelt ist, wobei der Wellenleiter (220; 320) ausgebildet ist, um eine Wechselwirkung zwischen geführtem Licht und einem Messmedium bereitzustellen, das den Wellenleiter umgibt, wobei der Wellenleiter (220; 320) und die lichtemittierende Einheit (210; 310) einstückig in das Halbleitermaterial gebildet sind, wobei der Wellenleiter (220; 320) in einem Abschnitt des Halbleitermaterials angeordnet ist, der offen hin zu einer Umgebung ist, und wobei die lichtemittierende Einheit (210; 310) in einem Abschnitt des Halbleitermaterials angeordnet ist, der von der Umgebung abgedichtet ist.
Das integrierte, lichtemittierende Bauelement (200; 700) gemäß Anspruch 1, wobei die lichtemittierende Einheit (210; 310) als Lichtquelle eine elektrisch leitfähige Struktur (212; 312) aufweist, die in dem Halbleitermaterial gebildet ist, wobei die elektrisch leitfähige Struktur ausgebildet ist, um Licht zu emittieren, wenn eine Versorgungsspannung an Anschlüsse der elektrisch leitfähigen Struktur angelegt ist.
Das integrierte, lichtemittierende Bauelement (200; 700) gemäß Anspruch 2, wobei die elektrisch leitfähige Struktur (212; 312) ein kristallines, polykristallines oder amorphes Halbleitermaterial aufweist.
Das integrierte, lichtemittierende Bauelement (200; 700) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die elektrisch leitfähige Struktur (212; 312) einen elektrisch leitfähigen Faden aufweist, der sich senkrecht zu einer Richtung eines Lichtstrahls erstreckt, der aus der lichtemittierenden Einheit emittiert wird.
Das integrierte, lichtemittierende Bauelement (200; 700) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die lichtemittierende Einheit (210; 310) ferner einen Strahlformungsabschnitt (350) aufweist, der ausgebildet ist, um Licht zu kollimieren, das aus der elektrisch leitfähigen Struktur emittiert wird.
Das integrierte, lichtemittierende Bauelement (200; 700) gemäß Anspruch 5, wobei der Strahlformungsabschnitt (350) einen lichtreflektierenden gekrümmten oder parabolischen Rand des Halbleitermaterials der lichtemittierenden Einheit aufweist.
Das integrierte, lichtemittierende Bauelement (200; 700) gemäß Anspruch 6, wobei die elektrisch leitfähige Struktur (212; 312) sich im Wesentlichen durch einen Brennpunkt des gekrümmten oder parabolischen Randes erstreckt.
Das integrierte, lichtemittierende Bauelement (200; 700) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die lichtemittierende Einheit (210; 310) ferner einen Filterabschnitt (230; 330 aufweist, der in dem Halbleitermaterial gebildet ist.
Das integrierte, lichtemittierende Bauelement (200; 700) gemäß Anspruch 8, wobei der Filterabschnitt (230; 330) ausgebildet ist, um zumindest ein Durchlassband in der spektralen Infrarotregion zu haben.
Das integrierte, lichtemittierende Bauelement (200; 700) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei der Filterabschnitt (230; 330) einen oder mehrere Gräben (232; 332) aufweist, die in das Halbleitermaterial der lichtemittierenden Einheit gebildet sind.
Das integrierte, lichtemittierende Bauelement (200; 700) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die lichtemittierende Einheit (210; 310) in einem Abschnitt (710) des Halbleitermaterial angeordnet ist, der von einer Umgebung abgedichtet ist.
Das integrierte, lichtemittierende Bauelement (200; 700) gemäß Anspruch 11, wobei die lichtemittierende Einheit in dem abgedichteten Abschnitt zumindest teilweise von einem evakuierten Hohlraum umgeben ist.
Das integrierte, lichtemittierende Bauelement (200; 700) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Abdichtungsschicht (709), die über der lichtemittierenden Einheit gebildet ist; und zumindest einen Hohlraum zwischen der lichtemittierenden Einheit (210; 310) und der Abdichtungsschicht (709).
Das integrierte, lichtemittierende Bauelement (200; 700) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Breite des Wellenleiters (220; 320) kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts.
Integriertes Sensorbauelement, umfassend: ein Halbleitersubstrat (205; 705); eine lichtemittierende Einheit (210; 310), die in das Halbleitersubstrat (205; 705) gebildet ist; ein lichtdetektierende Einheit (260), die in das Halbleitersubstrat (205; 705) gebildet ist; und einen Wellenleiter (220; 320), der in das Halbleitersubstrat (205; 705) zwischen der lichtemittierenden Einheit (210; 310) und der lichtdetektierenden Einheit (260) gebildet ist; wobei der Wellenleiter (220; 320) in einem Abschnitt (720) des Halbleitersubstrats (205; 705) gebildet ist, der offen zu einer Umgebung ist, um eine Wechselwirkung zwischen geführtem Licht und einem Messmedium bereitzustellen, das den Wellenleiter umgibt, wobei die lichtemittierende Einheit (210; 310) in einem Abschnitt (710) des Halbleitersubstrats (205; 705) gebildet ist, der von der Umgebung abgedichtet ist, und wobei die lichtemittierende Einheit (210; 310) in dem abgedichteten Abschnitt (710) zumindest teilweise von einem evakuierten Hohlraum (215; 715) umgeben ist.
Verfahren (500) zum Bilden eines integrierten, lichtemittierenden Bauelements (200; 700), das Verfahren umfassend: Integrieren (510) einer lichtemittierenden Einheit (210; 310) in ein Halbleitermaterial eines Halbleitersubstrat (205; 705); und Bilden (520) von zumindest einem Hohlraum (215; 715) in das Halbleitermaterial zwischen dem Halbleitersubstrat (205; 705) und der lichtemittierenden Einheit (210; 310), wobei das Bilden des zumindest einen Hohlraums das Verwenden einer Silicon-On-Nothing-Verarbeitungssequenz (SON) umfasst.