DE102021213746B3 - Vorrichtung, Verfahren und System zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, sowie Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung - Google Patents

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Abstract

Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen eine Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend ein Substrat (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) mit einer Hauptseite (112), wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist; und eine an der Hauptseite des Substrats angeordnete Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720), wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist. Die Strahlleiteinrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt (20, 122, 222, 322) dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) angeordnet ist. Ferner verringert sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker als im ersten Abschnitt. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung ein Metallmaterial (25, 130, 230, 330, 430), wobei das Metallmaterial an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer, dem Substrat abgewandten, Seite des zweiten Abschnitts, angeordnet ist, und wobei das Metallmaterial mit dem zweiten Abschnitt einen für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung eingerichteten Schottky-Übergang (140) bereitstellt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen Vorrichtungen, Verfahren und Systeme zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, sowie Verfahren zur Herstellung von Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf Fotodioden mit konischen Strukturelementen.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen konische Fotodioden.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liegen auf dem Gebiet der Halbleiterbauelemente, speziell im Bereich der Fotodioden.
  • Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Fotodioden zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen größer als ca. 1000 nm.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Im Folgenden werden, unter anderem, Problemstellungen bzw. Probleme, welche mit Ausführungsbeispielen der Erfindung adressiert werden können, erläutert.
  • Mit Fotodioden kann elektromagnetische Strahlung detektiert werden. Die Strahlung wird im Bauelement in einen elektrisch messbaren Fotostrom umgewandelt. Die Empfindlichkeit einer Fotodiode ist dabei u.a. von der Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung abhängig. Neben der Art des verwendeten Halbleitermaterials, z.B. Silizium oder Galliumarsenid (GaAs), bestimmt auch die Bauart die Leistungsfähigkeit einer Fotodiode (z.B. pin-Dioden oder Schottky-Dioden). Die gemeinsame Eigenschaft aller Fotodioden ist jedoch die Anregung elektrischer Ladungsträger im Halbleiter, die als Fotostrom messbar sind.
  • Der von einer Fotodiode detektierbare Wellenlängenbereich elektromagnetischer Strahlung ist wesentlich durch das Halbleitermaterial bestimmt. Mit Siliziumdioden kann Strahlung im Sichtbaren und unmittelbar angrenzenden Infraroten bis zu einer Grenzwellenlänge von ca. 1100 nm erfasst werden. Darüber hinaus wird bis zu einer Grenzwellenlänge von 1700 nm Germanium bzw. Standard Indium-Galliumarsenid (InGaAs) als Detektormaterial verwendet. Mit InGaAs Legierungen mit hohem Indium-Anteil kann der Wellenlängenbereich bis 2500 nm ausgedehnt werden.
  • Der Bereich zwischen 1000 nm und 2500 nm ist für unterschiedliche Anwendungen sehr wichtig. So werden in der Telekommunikation Wellenlängen um 1300 nm bzw. 1550 nm verwendet. Im so genannten nahinfraroten Spektralbereich (NIR) zwischen 1000 nm und 2500 nm liegen Absorptionsbanden einiger wichtiger Moleküle, die eine große Bedeutung für die Spektralanalytik haben. Auch im Bereich der Feldüberwachung mit Lasern finden sich wichtige Anwendungen in diesem Spektralbereich.
  • Wie oben ausgeführt, kann Silizium in einer konventionell ausgeführten Diodenbauform aufgrund fehlender Empfindlichkeit im NIR nicht verwendet werden. Das stattdessen eingesetzte Halbleitermaterial InGaAs ist zwar ein physikalisch-technisch hervorragendes Detektormaterial hoher Empfindlichkeit, hat aber daneben auch erhebliche Nachteile (siehe Abschnitt „Stand der Technik“).
  • Anders ausgedrückt ist elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich oberhalb einer Wellenlänge von 1,1 µm für Photodetektoren in Silizium, die auf dem Prinzip der Fundamentalabsorption arbeiten nicht effizient zu detektieren. Photodetektoren für diesen Wellenlängenbereich in kompatibler Technologie verwenden daher das Prinzip der internen Photoemission. Hierbei erzeugt einfallende Strahlung Ladungsträger an einem gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Übergang. Derartige Detektoren weisen allerdings Nachteile hinsichtlich der generierten Dunkelströme auf, außerdem stellt der Übergang in der planaren Ausführung des Bauelements für die einfallende Strahlung einen Spiegel dar. Während sich die erste Eigenschaft nachteilig durch verstärktes Rauschen derartiger Bauelement bemerkbar macht, wird durch die zweite Eigenschaft die Signalstärke im Bauelement reduziert, da einfallende Strahlung reflektiert und somit nicht absorbiert wird. Die erste Eigenschaft wird durch Imperfektionen entlang des Metall-Halbleiter-Übergangs hervorgerufen und skaliert mit der Fläche, die zweite Eigenschaft (Reflexionen) lässt sich durch geeignete Strukturen reduzieren. Es ergibt sich hierbei eine gegenläufige Abhängigkeit, da stärker streuende (raue) Oberflächen mit vergrößerter metallisierter Fläche einhergehen.
  • Zur näheren Erläuterung wird im Folgenden auf Fotodioden unterschiedlicher Bauart aus dem Stand der Technik eingegangen.
  • Stand der Technik
  • Im Stand der Technik sind Fotodioden unterschiedlicher Bauart bekannt und die zugrunde liegenden Mechanismen der Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung in elektrische Ladungsträger in einem Halbleiter sehr gut verstanden. Im Folgenden wird insbesondere auf bekannte Bauelemente zur Detektion von Strahlung mit Wellenlängen größer als ca. 1000 nm, mit den in diesem Wellenlängenbereich vorherrschenden Besonderheiten, eingegangen. Im Stand der Technik kann zwischen drei großen Gruppen bekannter Bauelementkonzepte unterschieden werden.
  • Die p-i-n Diode, oder kurz pin Diode ist die meist verwendete Bauart. Dabei handelt es sich um eine Schichtabfolge dotierter und nicht dotierter Bereiche im Halbleiter. Dabei bezeichnen die Buchstaben die Art der Dotierung, also die Art der Majoritätsladungsträger in der entsprechenden Schicht, p für Löcher, n für Elektronen, i für intrinsisch, d.h. ohne Dotierung. Die Umwandlung von Strahlung in einen messbaren Fotostrom erfolgt in einer solchen Diode durch den sogenannten Fotoeffekt. Dabei wird ein Photon im Halbleiter, hier speziell in der intrinsischen Schicht, absorbiert und ein Elektron aus dem Valenz- in das Leitungsband angeregt. Zusammen mit der entstandenen Fehlstelle im Valenzband bildet sich so ein Ladungsträgerpaar, dass im internen elektrischen Feld zwischen den Schichten getrennt wird und als Fotostrom detektierbar ist. Dieses Grundprinzip wird für die gängigen Halbleiter Silizium, Germanium und verschiedene Legierungen im Bereich der Verbindungshalbleiter der Hauptgruppen III und V im Periodensystem der Elemente, sogenannte III/V Halbleiter, verwendet. Gelegentlich werden auch Legierungen der Hauptgruppen II und VI, sogenannte II/VI Halbleiter, z.B. Quecksilber-Cadmium-Tellurid (HgCdTe), verwendet. Für das NIR ist insbesondere InGaAs als bevorzugtes Halbleitermaterial zu nennen.
  • Die so beschriebene Funktionsweise ist jedoch nur bis zu einer bestimmten Grenzwellenlänge der zu detektierenden Strahlung, bzw. der damit verbundenen Energie der zugehörigen Photonen gewährleistet. Für Wellenlängen oberhalb dieser Grenze und entsprechend Photonenenergien unterhalb dieser Grenze können im Prinzip keine Elektronen mehr angeregt werden. Die Diode wird dadurch in diesem Wellenlängenbereich unempfindlich. Die Grenzenergie ist dabei eine Eigenschaft des verwendeten Halbleiters (die sogenannte Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband). Für Elementhalbleiter wie Silizium ist die Bandlücke vorgegeben, bei den Verbindungshalbleitern kann sie in gewissen Grenzen durch Veränderung der Legierungsanteile der beteiligten Elemente eingestellt werden. Für Silizium liegt diese Grenze bei ca. 1100 nm, bei Germanium bei ca. 1700 nm.
  • Aus o.g. Gründen können pin-Dioden, die den Bereich von 1000 nm bis 2500 nm abdecken, nur mit Verbindungshalbleitern realisiert werden. Das wichtigste Halbleitermaterial ist in diesem Bereich InGaAs mit verschiedenen Legierungen unterschiedlichen Indium-Anteils. InGaAs pin-Dioden zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit aus und sind in vielen unterschiedlichen Ausführungsformen kommerziell erhältlich. Die großen Nachteile dieses Materialsystems bestehen in der Nicht-Kompatibilität zur Siliziumtechnologie. Daraus resultieren relativ hohe Kosten sowohl für die Herstellung des Halbleitermaterials selbst als auch für die Prozesstechnik zur Realisierung von Bauelementen. Weiterhin ist in Verbindung mit integrierten Schaltkreisen, die i.d.R. in Siliziumtechnologie hergestellt werden, nur eine hybride Integration möglich. Das wirkt sich ebenfalls sehr negativ auf die Kostenstruktur aus. Hierdurch können viele mögliche Anwendungen, insbesondere im bildgebenden Bereich mit Diodenarrays, derzeit nicht ökonomisch sinnvoll bedient bzw. erschlossen werden.
  • Ein weiterer Nachteil besteht in der Verwendung des Schwermetalls Arsen in den InGaAs Legierungen. Da in Zukunft Fragen der Nachhaltigkeit eine große Rolle spielen werden, hat eine Siliziumtechnologie hier klare Vorteile.
  • Fotowiderstände bilden die zweite Gruppe von Fotodetektoren im NIR. Diese Bauelemente ändern unter Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung ihren Widerstand. Basierend auf dieser Eigenschaft kann ebenfalls ein Fotostrom gemessen werden. Bei diesen Bauelementen handelt es sich zwar nicht um Dioden und sie fallen deshalb genau genommen nicht unmittelbar unter den Stand der Technik, jedoch bilden sie eine wichtige Gruppe von Fotodetektoren im NIR. Als Material werden häufig die Halbleiter Bleiselenid und Bleisulfid verwendet. Auch von diesen Fotodetektoren sind unterschiedliche Bauformen, z. B. Einzelelemente und Zeilenanordnungen, kommerziell erhältlich. Die Nachteile dieser Technologie sind ähnlich wie bei den III/V Halbleitern. Sie ist nicht kompatibel zur Siliziumtechnologie und enthält mit Blei ein Schwermetall. Daneben ergeben sich auch technische Nachteile. Fotowiderstände sind vergleichsweise langsam und degradieren u.U. bei unbeabsichtigter Bestrahlung mit UV-Licht. Hierdurch können viele mögliche Anwendungen, insbesondere im bildgebenden Bereich mit Detektorarrays, derzeit nicht ökonomisch sinnvoll bedient bzw. erschlossen werden.
  • Die dritte Gruppe von Fotodetektoren im NIR bilden Bauelemente, die auf dem Mechanismus der internen Fotoemission basieren. An der Grenzfläche zwischen einem Halbleiter und einem Metall kann sich, je nach Materialpaarung, eine Potentialbarriere ausbilden (Schottky-Übergang). Eine solche Grenzfläche verhält sich elektrisch wie eine Diode, bei der Stromfluss über die Grenzfläche hinweg nur für eine Polarität stattfindet. Derartige Bauelemente werden als Schottky-Dioden bezeichnet. Fällt elektromagnetische Strahlung auf die Metallschicht an der Grenzfläche, so kann ein Elektron (oder Loch, je nach Dotierung des Halbleiters) aus dem Metall herausgelöst werden und in den angrenzenden Halbleiter übergehen. Diese Ladungsträger sind dann wiederum als Fotostrom messbar, siehe 7. 7 zeigt eine schematische Ansicht eines Schottky-Übergangs zwischen einem Metall und einem Halbleiter im Bändermodell. Wie in 7 gezeigt kann der Halbleiter bspw. n dotiert sein oder stark n dotiert sein (n+). Durch die Kontaktfläche des Halbleiters mit dem Metall kommt es zu einer Verschiebung von Valenzband (Ev) und Leitungsband (Ec) im Halbleiter im Bereich des Übergangs. Das Ferminiveau ist mit EF gekennzeichnet. Durch ein eintreffendes Photon der Energie hv kann ein Elektron e aus dem Metall die Potentialbarriere EB überwinden und zu einem Photostrom beitragen. Das zurückbleibende Loch ist mit h gekennzeichnet.
  • Im Stand der Technik sind planare Ausführungsvarianten von Schottky-Dioden bekannt. In 5 ist schematisch eine vereinfachte Schottky-Diode in Planartechnologie dargestellt. Auf einem Siliziumsubstrat 1 ist eine Metallschicht 2 aufgebracht, an dessen Grenzfläche zum Substrat 1 der Schottky-Übergang (bzw. die Schottky-Barriere) entsteht. Neben der Metallschicht 2 ist ein (ohmscher) Kontakt 3 zur elektrischen Kontaktierung des Substrats 1 aufgebracht. Der Kontakt ist vereinfacht dargestellt. Er kann aus mehreren Schichten und Implantationsbereichen im Substrat bestehen. Das Substrat 1 kann z.B. n dotiert sein. Die Metallschicht 2 ist mit einer elektrischen Kontaktierung 2a versehen, der ohmsche Kontakt 3 mit der Kontaktierung 3a. Bei entsprechender Polarität kann ein Strom über die Kontaktierungen 2a und 3a durch die Diode fließen.
  • Die Diode aus 5 kann unter Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung u.U. als Fotodiode, so wie schematisch in 6 dargestellt, verwendet werden. Die Beleuchtung findet sinnvoll von der Rückseite des Bauelements durch das Substrat hindurch statt, da die Strahlung auf der Vorderseite von dem Metall 2 nur reflektiert würde und so die Grenzschicht zwischen Metall 2 und Halbleitersubstrat 1 nicht erreichen würde. Da die Diode in einem Wellenlängenbereich oberhalb der Grenzwellenlänge des Halbleiters betrieben wird, ist das Halbleitersubstrat 1 für diesen Wellenlängenbereich transparent. Die Strahlung 6 trifft nach Transmission des Substrats 1 auf die Metallschicht 2. Dort kann z.B. ein Elektron 4 aus dem Metall 2 in das Substrat 1 über die Schottky-Barriere hinweg befördert werden. Werden auf diese Weise genügend Ladungsträger „erzeugt“, können diese als Fotostrom 7 über die Kontaktierungen 2a und 3a gemessen nachgewiesen werden.
  • Der große Nachteil der oben beschriebenen Verwendung planarer Schottky-Dioden als Fotodiode besteht in der sehr geringen Empfindlichkeit. Das Herauslösen von Ladungsträgern aus dem Metall 2 erfolgt nur in einer sehr dünnen Grenzschicht des Metalls, da die Ladungsträger sonst durch Streuvorgänge im Metall ihre Energie verlieren bevor sie die Schottky-Barriere erreichen. Weiterhin ist die Wahrscheinlichkeit für das Herauslösen, das mit einer energetischen Anregung des Ladungsträgers im Metall 2 einhergeht, generell gering. Der größte Teil der Strahlung wird von der als Spiegel wirkenden planaren Metallschicht 2 reflektiert und geht so verloren. Deshalb haben einfache planare Schottky-Dioden als Fotodiode keine Anwendung gefunden.
  • Im Stand der Wissenschaft sind einige Ansätze für eine Steigerung der Empfindlichkeit für Schotty-Fotodioden untersucht worden. Zum einen kann die planare Metallschicht 2 in einen optischen Resonator integriert werden. Hierfür wird im einfachsten Fall auf der Rückseite des Substrats 1 eine dielektrischer Spiegelschicht, die auf eine Wellenlänge abgestimmt ist, aufgebracht. Zusammen mit der Metallschicht 2 ergibt sich ein Resonator, der durch Vielfachreflexion im Resonator die Reflexionsverluste der Metallschicht reduziert. Es sind unterschiedliche Ausführungsvarianten dieses Prinzips untersucht worden [1]. Die dadurch erzielte moderate Verbesserung der Empfindlichkeit wird jedoch in diesem Ansatz durch zwei erhebliche Nachteile deutlich eingeschränkt. Der optische Resonator ist in seiner Güte stark von der Wellenlänge der Strahlung abhängig. Dadurch ist der Wellenlängenbereich für den die Empfindlichkeit gesteigert werden kann, für viele Anwendungen zu klein. Weiterhin ergibt sich für eine derartige Ausführungsform eine starke Abhängigkeit vom Einfallswinkel der Strahlung. Auch das ist für viele Anwendungen nachteilhaft.
  • Anders ausgedrückt sind aus der Wissenschaft und aus der Anwendung insbesondere Optimierungsmethoden bekannt, die darauf abzielen, die Effizienz derartiger Bauelementansätze zu erhöhen indem die einfallende Strahlung bspw. zu einem großen Teil oder sogar vollständig absorbiert wird. Dies kann durch eine strukturierte Oberfläche innerhalb des Detektors realisiert werden [2, 4], die Realisierung von Schichtstapeln, welche optimierte Spiegeleigenschaften besitzen [5, 6] oder die Verwendung von plasmonischen Strukturen, wobei diese auch in Kombination mit strukturierten Oberflächen eingesetzt werden [7-9]. Eine besondere Form einer plasmonischen Struktur, die zur Absorption von einfallender Strahlung verwendet werden kann, sind sog. „plasmonic perfect absorber“ [10]. Hierbei sind plasmonisch aktive Strukturen vor einer durchgehenden Metallisierung derart angeordnet, dass sich für spezifische Frequenzen eine nahezu vollständige Absorption der einfallenden Strahlung innerhalb der plasmonischen Struktur ergibt. Dieses Verhalten basiert auf der Anregung der Nanostrukturen in ihrer Eigenfrequenz. Im Stand der Technik sind nun derartige Strukturen bisher nur im Sinne der reinen Absorption der einfallenden Strahlung beschrieben. Vollständige Bauelemente in Verbindung mit interner Photoemission als Mechanismus zur Generierung eines Phototroms sind dagegen bisher nicht beschrieben. Die aus dem Stand der Technik bekannten Absorberstrukturen setzen die absorpierte Strahlung in Wärme um (Energieerhaltung).
  • Ein weiterer Ansatz ist die Abkehr von der planaren Bauart mit dem Ziel eine Lichtbündelung durch geeignete Strukturen im Silizium zu erreichen und damit die optische Strahlungsleistung am Schottky-Übergang (und damit die Empfindlichkeit) zu steigern. Im Stand von Wissenschaft und Technik werden hierzu konkret Pyramidal- bzw. V-Grabenstrukturen im Siliziumsubstrat beschrieben [2], [3]. In 8 ist schematisch eine solche Pyramidalstruktur 10 in einem Siliziumsubstrat 1 in Seitenansicht gezeigt. Die Pyramiden (erfolgt die Strukturierung nur in eine Richtung, dann entstehen V-Gräben oder Stege) werden mit einem anisotropen nasschemischen Ätzverfahren, z.B. Ätzen mit TMAH, hergestellt. Dadurch ergeben sich sehr saubere, gut definierte Flächen. Das Metall 11 für den Schottky-Übergang wird dabei vorteilhaft nur im Bereich der Pyramidenspitze aufgebracht. Bei einer Beleuchtung von der Rückseite wird die Strahlung an den Seitenflächen der Pyramide reflektiert und zur Spitze gelenkt. Wichtig ist dabei nun, dass die Flankenwinkel der Pyramiden kristallografisch festgelegt und somit nicht frei wählbar sind. Runde Strukturen oder solche mit einem vielzähligen Grundquerschnitt können mit diesem Verfahren aufgrund der vordefinierten Kristallebenen nicht hergestellt werden.
  • Eine genaue Betrachtung zeigt jedoch, dass die lichtsammelnde Eigenschaft der in der Literatur beschriebenen nasschemisch hergestellten Strukturen nur einen sehr begrenzten Effekt auf die Steigerung der Empfindlichkeit hat. Dieser Sachverhalt ist in 9 schematisch dargestellt. Die Figur zeigt den Querschnitt einer Pyramidalstruktur 10 und einen Ausschnitt aus dem Siliziumsubstrat 1 aus dem die Struktur durch Ätzen entstanden ist. Der Flankenwinkel α 12, den die Kristallfacette mit der Normalen 13 zur Substratvorderseite bildet, beträgt für die nasschemisch geätzten Strukturen 35,3°, und ist, wie oben beschrieben, prozesstechnisch unveränderlich. Die Spitze der Struktur ist mit einem Metall 15 bedeckt. Zwischen diesem Metall 15 und der Siliziumpyramide 10 bildet sich der Schottky-Übergang. Ein Fotostrom kann demnach nur im Bereich der Spitze entstehen. Je nach genauem Eintrittsort der Strahlung ergeben sich unterschiedliche Lichtpfade. Für die weitere Analyse kann auf das vereinfachte Lichtstrahlenmodell der Optik zurückgegriffen werden, selbst wenn im Bereich der Spitze Beugungseffekte auftreten.
  • In 9 sind exemplarisch drei unterschiedliche Lichtstrahlen eingezeichnet. Ein erster Strahl 16 tritt fast senkrecht zur Substratoberfläche ein, trifft die Pyramide 10 in etwa mittig und gelangt auf direktem Weg zur metallisierten Spitze 15. Ein zweiter Strahl 17 tritt ebenfalls fast senkrecht ein, trifft die Pyramide 10 jedoch an einer ihrer Facetten und wird dort ein erstes Mal reflektiert. Der so reflektierte Strahl trifft danach ebenfalls die metallisierte Spitze 15. Eine vollständige Reflexion des Strahls 17 findet jedoch nur unter der Bedingung statt, dass es sich um Totalreflexion handelt, da sich an dieser Stelle keine Metallisierung mehr befindet. Die Bedingung für eine Totalreflexion wird durch den Brechzahlsprung an der Facettengrenzfläche und den dortigen Einfallswinkel des Lichtstrahls bestimmt. Wird dieser Winkel zu klein, dann wird nur noch ein Teil der Strahlung reflektiert, ein anderer Teil wird gebrochen und verlässt die Pyramidalstruktur (und geht verloren). Auf diese Art kann im Prinzip durch Mehrfachreflexion an den gegenüber liegenden Facetten ein Strahl oder zumindest ein Teil der zugehörigen Lichtleistung die metallisierte Spitze 15 erreichen. Ungünstiger ist die Situation für den Fall, dass der lokale Einfallswinkel so klein wird, dass der reflektierte Teil des Strahl unter einem Winkel auf die gegenüberliegende Facette trifft, der eine Ausfallsrichtung des dort reflektierten Strahls aus der Pyramide 10 heraus in Richtung der Substratrückseite zeigt. In diesem Fall trifft die Strahlung gar nicht mehr auf die metallisierte Spitze 15. Diese Situation ist mit dem Strahl 18 und den beiden Teilstrahlen 18a und 18b dargestellt.
  • Je kleiner der Flankenwinkel α 12 (und damit je steiler die Pyramide) ist, desto mehr Reflexionen mit einem Strahlendpunkt in der Spitze 15 und/oder größere Einfallswinkel der Strahlung zur Substratnormalen sind möglich. Für die im Stand der Technik beschriebenen Strukturen ist der Flankenwinkel aber prozesstechnisch auf 35,3° festgelegt. Dieser Wert führt zu einer sehr großen Einschränkung des nutzbaren Verhältnisses von (projizierter) Metallisierungsbreite zu Basisbreite und/oder des nutzbaren Winkelspektrums der einfallen elektromagnetischen Strahlung, weil ein großer Teil der Strahlung durch ungewollte Retroreflexion verloren geht. Deshalb erweisen sich die im Stand der Technik dargestellten Lösungen als tatsächlich nicht geeignet eine große fokussierende Wirkung und damit Steigerung der Empfindlichkeit zu entfalten. Für eine sinnvolle Nutzung der Strukturen zur Fokussierung sollte oder bspw. muss der Flankenwinkel α 12 deutlich kleiner sein.
  • Ein weiterer Ansatz ist aus der US 2021 / 0 156 969 A1 bekannt. Das Dokument befasst sich mit Focal-Plane-Arrays (FPAs) von plasmonisch verstärkten pyramidenförmigen Silizium-Schottky-Fotodetektoren (PDs), die im kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR) arbeiten, und mit Bildgebungssystemen, die solche FPAs mit aktiven Beleuchtungsquellen und integrierten Ausleseschaltungen (ROIC) kombinieren.
  • Ebenfalls bekannt ist aus „Plasmonic enhanced silicon pyramids for internal photoemission Schottky detectors in the near-infrared regime,“ Optica 2, 335-338 (2015) von Boris Desiatov, Ilya Goykhman, Noa Mazurski, Joseph Shappir, Jacob B. Khurgin, und Uriel Levy, ein nanoskaliger Breitband-Silizium-Plasmonik-Schottky-Detektor mit hoher Ansprechempfindlichkeit und verbessertem Signal-Rausch-Verhältnis, der im Sub-Bandgap-Regime arbeitet. Die Ansprechempfindlichkeit wird durch die Verwendung von pyramidenförmigen plasmonischen Konzentratoren verbessert.
  • Weiterhin können in metallischen Nanostrukturen sogenannte plasmonische Effekte auftreten. Dabei werden die Elektronen im Metall durch elektromagnetische Strahlung zu kollektiven Bewegungen angeregt. In der metallisierten Spitze der oben beschriebenen Pyramidalstrukturen können derartige Effekte auftreten und zu einer Feldüberhöhung führen. Die Folge hiervon kann eine Erhöhung der Emissionswahrscheinlichkeit von Ladungsträgern aus dem Metall in den Halbleiter sein. Das führt dann zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit des Bauelements. Dieser Effekt allein reicht jedoch nicht aus, um Schottky-Fotodioden für gängige Applikationen empfindlich genug zu machen.
  • Somit sind im Stand der Technik insgesamt keine Lösungen bekannt, die die Empfindlichkeit von Schottky-Fotodioden derart steigern, dass eine Applikationsrelevanz gegeben ist.
  • Daher ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines Konzepts für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, welche einen verbesserten Kompromiss zwischen einer Sensitivität (Empfindlichkeit) und einer Effektivität einer Strahlungsabsorption sowie einem Herstellungs- und Integrationsaufwand ermöglichen.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Ferner besteht eine weitere zugrundeliegende Aufgabe von Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Silizium-Fotodiode, die eine für die meisten Anwendungen ausreichende Empfindlichkeit im NIR aufweist und damit das Detektormaterial InGaAs (und ebenfalls noch eine Reihe anderer Materialien) ersetzen kann.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen eine Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend ein Substrat mit einer Hauptseite, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist; und eine an der Hauptseite des Substrats angeordnete Strahlleiteinrichtung, wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist. Die Strahlleiteinrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist. Ferner verringert sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker als im ersten Abschnitt.
  • Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung ein Metallmaterial, wobei das Metallmaterial an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer, dem Substrat abgewandten, Seite des zweiten Abschnitts, angeordnet ist, und wobei das Metallmaterial mit dem zweiten Abschnitt einen für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung eingerichteten Schottky-Übergang bereitstellt.
  • Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung beruhen auf der Kernidee mit Hilfe der Strahlleiteinrichtung, deren Querschnittsfläche sich mit steigendem Abstand zur Hauptseite des Substrats in dem zweiten, dem Substrat abgewandten, Abschnitt stärker verringert, als in dem ersten, dem Substrat zugewandten, Abschnitt, einfallende elektromagnetische Strahlung so durch die Strahlleiteinrichtung zu leiten, dass ein großer Teil der Strahlung in dem Schottky-Übergang absorbiert werden kann.
  • Dementsprechend weist die Strahlleiteinrichtung eine zweistufige Geometrie auf. Die Erfinder haben erkannt, dass diese zweitstufige Geometrie zu einer verbesserten Zuführung einfallender elektromagnetischer Strahlung in den Schottky-Übergang der Vorrichtung führen kann. Hierbei sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Strahlleiteinrichtung auch eine mehr-als-zweistufige Geometrie aufweisen kann.
  • Der erste Abschnitt der Strahlleiteinrichtung kann somit bspw. eine sich, bezüglich eines Abstandes von der Hauptseite des Substrates, nur geringfügig verjüngende Geometrie aufweisen. In anderen Worten kann der erste Abschnitt der Strahlleiteinrichtung steile (bezüglich der Hauptseite des Substrats) Seitenwandstrukturen aufweisen.
  • Der zweite Abschnitt der Strahlleiteinrichtung kann somit bspw. eine sich, bezüglich eines Abstandes von der Hauptseite des Substrates, stark verjüngende Geometrie aufweisen. In anderen Worten kann der zweite Abschnitt der Strahlleiteinrichtung flache (bezüglich der Hauptseite des Substrats) Seitenwandstrukturen aufweisen.
  • Durch die erfindungsgemäße zweistufige Geometrie der Strahlleiteinrichtung sind zum einen, durch die sich schwächer verjüngende Geometrie des ersten Abschnitts, wie bereits zuvor motiviert, große Einfallswinkel der Strahlung zur Substratnormalen möglich, sodass ein großer Teil der einfallenden Strahlung zu dem Metallmaterial und damit dem Schottky-Übergang zwischen dem Metallmaterial und dem zweiten Abschnitt weitergeleitet werden kann, um absorbiert zu werden. Das heißt, dass nur ein geringer Teil der einfallenden Strahlung derart ungünstige Einfallswinkel aufweisen kann, sodass diese nicht zum Schottky-Übergang gelangen kann. Dadurch können selbst geringe Strahlungsmengen detektiert werden.
  • Die Erfinder haben dabei jedoch erkannt, dass die Nachteile einer steilen Geometrie einer Strahlleiteinrichtung, also bspw. wie zuvor erläutert eine ungünstiges Verhältnis einer Höhe (senkrecht zur Hauptseite des Substrats) zu einer Grundfläche (parallel zur Hauptseite des Substrats) der Strahlleiteinrichtung, durch die Zweiteilung der Geometrie der Strahlleiteinrichtung umgangen oder verringert werden können.
  • Durch den zweiten, bspw. flacheren, Abschnitt kann eine vertikale Höhe (senkrecht zur Substrathauptseite) der Strahlleitstruktur gering gehalten werden, was eine Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vereinfacht. Dadurch können die Vorteile einer steilen Basis, also bspw. des ersten Abschnitts, der Strahlleiteinrichtung mit kosteneffizienten und verbreiteten Halbleiter-Herstellungsverfahren verbunden werden. Dadurch kann bspw. ein gutes Verhältnis der Strahlleitstruktur von Höhe zur Grundfläche erzielt werden, sodass ein Großteil von in der Grundfläche einfallenden Strahlung bis zur Metallisierung geleitet werden kann.
  • Somit kann ein verbesserter Kompromiss zwischen einer Sensitivität und einer Effektivität einer Strahlungsabsorption sowie einem Herstellungs- und Integrationsaufwand ermöglicht werden.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weist der erste Abschnitt der Strahlleiteinrichtung eine erste Seitenwandstruktur auf, welche ausgehend vom Substrat mit einem ersten Neigungswinkel gegenüber einer Oberflächennormalen der Hauptseite geneigt ist, sodass sich der erste Abschnitt ausgehend vom Substrat verjüngt, um die vom Substrat empfangene elektromagnetische Strahlung zu fokussieren. In anderen Worten kann die Strahlleiteinrichtung eine geneigte Seitenwand aufweisen, um einfallende elektromagnetische Strahlung in Richtung des Schottky-Übergangs zu leiten und/oder zu fokussieren. Dadurch kann die Absorptionseffizienz der Vorrichtung verbessert werden.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weist der zweite Abschnitt eine zweite Seitenwandstruktur auf, die ausgehend vom ersten Abschnitt mit einem zweiten Neigungswinkel gegenüber einer Oberflächennormalen der Hauptseite geneigt ist, wobei der zweite Neigungswinkel größer ist als der erste Neigungswinkel, sodass sich der zweite Abschnitt ausgehend vom ersten Abschnitt verjüngt. Einfach ausgedrückt können Seitenwände des ersten und zweiten Abschnitts unterschiedliche oder verschiedene Flankenwinkel aufweisen. Dadurch kann durch die Vorrichtung bspw. durch einen kleinen ersten Neigungswinkel der ersten Seitenwandstruktur des ersten Abschnitts ein Großteil der in die Strahlleiteinrichtung einfallende elektromagnetische Strahlung zum Schottky-Übergang weitergeleitet werden, und zugleich kann die Strahlleiteinrichtung ein vorteilhaftes Höhen zu Grundfläche Verhältnis aufweisen, womit die Vorrichtung fertigungstechnisch mit geringem Aufwand hergestellt werden kann.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist der zweite Abschnitt mit der zweiten Seitenwandstruktur dazu ausgebildet, um die vom Substrat empfangene elektromagnetische Strahlung zu fokussieren und/oder um eine Absorption der elektromagnetischen Strahlung im Schottky-Übergang mittels plasmonischer Effekte zu begünstigen. Der zweite Abschnitt kann wiederum einen so dimensionierten Neigungswinkel aufweisen, dass elektromagnetische Strahlung an einer Grenzfläche des zweiten Abschnitts zum Umgebung in Richtung der Metallisierung abgelenkt wird. Somit kann die Vorrichtung eine gute Absorptionseffektivität aufweisen.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beträgt der erste Neigungswinkel zumindest 1° und höchstens 25°, oder der erste Neigungswinkel beträgt weniger als 10°. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Neigungswinkel zumindest 10° und höchstens 90° betragen. Die Erfinder haben erkannt, dass innerhalb dieser Winkelbereiche eine effiziente Strahlablenkung zum Schottky-Übergang ermöglicht werden kann.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist der erste Neigungswinkel ein Winkel zwischen einer Tangente der ersten Seitenwandstruktur und der Oberflächennormalen am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung. Alternativ oder zusätzlich ist der zweite Neigungswinkel ein Winkel zwischen einer Tangente der zweiten Seitenwandstruktur und der Oberflächennormalen am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung.
  • Alternativ ist der erste Neigungswinkel ein Winkel zwischen einer Sekante der ersten Seitenwandstruktur und der Oberflächennormalen, wobei die Sekante durch zwei vertikal, bezüglich der Hauptseite des Substrats, auf der ersten Seitenwandstruktur übereinanderliegende Punkte bestimmt ist, wobei ein erster der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen der ersten Seitenwandstruktur und der Hauptseite des Substrats liegt und wobei ein zweiter der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung liegt. Alternativ oder zusätzlich ist der zweite Neigungswinkel ein Winkel zwischen einer Sekante der zweiten Seitenwandstruktur und der Oberflächennormalen, wobei die Sekante durch zwei vertikal, bezüglich der Hauptseite des Substrats, auf der zweiten Seitenwandstruktur übereinanderliegende Punkte bestimmt ist, wobei ein erster der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung liegt und wobei ein zweiter der beiden Punkte einen Punkt des zweiten Abschnitts mit dem größten vertikalen Abstand zur Hauptseite des Substrats bildet.
  • In einfachen Worten können die Neigungswinkel Flankenwinkel am Übergang zwischen dem erstem/zweiten Abschnitt sein, oder gemittelte Flankenwinkel.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist der Schottky-Übergang auf einen Wellenlängenbereich angepasst und eine auf die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung projizierte Breite einer Grenzfläche zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung beträgt zumindest das 0,2-fache einer Wellenlänge des Wellenlängenbereichs und höchstens das 15-fache einer Wellenlänge des Wellenlängenbereichs, wobei die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung eine Schnittfläche der Strahlleiteinrichtung mit dem Substrat ist. Damit kann anwendungsspezifisch bzw. wellenlängenbereichsspezifisch eine vorteilhafte Geometrie der Strahlleiteinrichtung eingestellt werden, welche eine herstellungstechnisch vorteilhafte Höhe bei zugleich guten Absorptionseigenschaften aufweisen kann.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist die erste und/oder die zweite Seitenwandstruktur gerade oder gekrümmt ausgebildet. Ausführungsbeispiele sind nicht auf eine bestimmte Form der Seitwandstrukturen eingeschränkt, sodass bspw. eine Herstellung von Vorrichtungen in hoher Stückzahl mit schnellen Ätzprozessen möglich ist, sodass bspw. keine hohen Anforderungen an die genaue Ausgestaltung der Seitenwandstrukturen erfüllt sein müssen.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weist der zweite Abschnitt der Strahlleiteinrichtung an einer, dem Substrat abgewandten, Seite eine Spitze oder eine abgeflachte Spitze auf, wobei das Metallmaterial nur im Bereich dieser Spitze oder abgeflachten Spitze angeordnet ist. Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung sind nicht auf eine einzige Ausgestaltung des vom Substrat abgewandten Endes des zweiten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung eingeschränkt. Bspw. kann eine fertigungstechnisch vorteilhafte abgeflachte Spitze erzeugt werden, welche eine Herstellung mit geringen Kosten begünstigen kann, wobei die Vorrichtung dennoch gute Absorptionseigenschaften durch die Strahlleitung aufweisen kann.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist der Schottky-Übergang auf einen Wellenlängenbereich angepasst und der zweite Abschnitt weist eine abgeflachte Spitze auf, wobei ein abgeflachter Bereich der Spitze eine Breite parallel zur Hauptseite des Substrats aufweist, welche kleiner als eine kleinste Wellenlänge des Wellenlängenbereichs ist, oder welche der kleinsten Wellenlänge des Wellenlängenbereichs entspricht. Bspw. für praktische Anwendungen, oder anders ausgedrückt in der Praxis, kann der abgeflachte Bereich oder die Breite der Spitze typischerweise nicht viel kleiner als die kleinste Wellenlänge im Halbleiter (bspw. nicht viel kleiner als die kleinste Wellenlänge des Wellenlängenbereichs) ausgebildet sein. Damit können anwendungsspezifisch abhängig von den zu absorbierenden Wellenlängen gute Absorptionseigenschaften eingestellt werden.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist die Spitze oder die abgeflachte Spitze der Strahlleiteinrichtung dazu ausgebildet, plasmonische Effekte in dem, im Bereich der Spitze aufgebrachten, Metallmaterial hervorzurufen und/oder zu verstärken. Durch plasmonische Effekte kann die Absorption der elektromagnetischen Strahlung begünstigt werden.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst das Halbleitersubstrat einen Schichtstapel; und/oder das Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung umfasst Silizium, Germanium und/oder eine Materialverbindung umfassend Silizium und/oder Germanium. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann preiswert und gut verfügbare Siliziumtechnologie zur Herstellung erfindungsgemäßer Vorrichtungen verwendet werden. Dabei kann durch die erfindungsgemäße verbesserte Absorptionseffizienz Silizium auch in Wellenlängenbereichen (bspw. NIR) eingesetzt werden, für welche Silizium bei konventionellen Ansätzen nur eine unzureichende Strahlungsabsorption aufweist.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst das Metallmaterial einen Schichtstapel und/oder das Metallmaterial umfasst ein Metall, ein Silizid und/oder ein metallisches Nitrid.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst das Metallmaterial zumindest eines aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Gold, Titan, Nickelsilizid, Cobaltsilizid, Titansilizid und/oder Titannitrid.
  • Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Verwendung einer Vielzahl von Metallmaterialien, sodass bspw. je nach zu detektierender Strahlung eine vorteilhafte Materialkombination von Strahlleiteinrichtung und Metallmaterial, bspw. Metallisierung verwendet werden kann.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weist das Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung eine Dotierung auf, wobei ein Dotiergrad der Dotierung hin zu dem Schottky-Übergang, konstant, gestuft oder graduell veränderlich ist. Je nach Herstellungsverfahren und konkreten Anwendungsgebiet kann ein vorteilhaftes Dotierprofil eingestellt sein.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weist die Strahlleiteinrichtung eine zumindest teilweise runde, elliptische oder vieleckige Grundfläche auf, wobei die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung die Schnittfläche der Strahlleiteinrichtung mit dem Substrat bildet. Die Grundfläche kann bspw. eine Form eines abgeflachten Halbkreises aufweisen. Je nach Herstellungsverfahren und/oder einer weiteren Integration mit einer Mehrzahl weiterer Vorrichtungen zur Strahlungsabsorption kann eine Vielzahl von Grundformen der Strahlleiteinrichtung verwendet werden, sodass bspw. eine verfügbare Substratfläche gut ausgenutzt werden kann.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weist die Strahlleiteinrichtung eine Höhe, vertikal zur Hauptseite des Substrats, von zumindest 0,5 µm und höchstens 25 µm auf. Die Erfinder haben erkannt, dass, durch die Zweiteilung der Geometrie der Strahlleiteinrichtung, Strahlleiteinrichtungen mit gut herstellbaren Höhenprofilen eingesetzt werden können, bei zugleich guten Absorptionseigenschaften.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von zumindest 1000 nm und höchstens 3000 nm oder von zumindest 1000 nm und höchstens 1700 nm ausgebildet. Beispielsweise kann die Vorrichtung zur Absorption von Strahlung in einem Wellenlängenbereich ausgebildet sein, der für Telekommunikationsanwendungen verwendet wird. Durch die verbesserten Strahlleiteigenschaften und damit Absorption können Materialkombination auch für Wellenlängenbereiche verwendet werden, für die diese bisher über keine ausreichend guten Absorptionseigenschaften verfügt haben, sodass erfindungsgemäße Vorrichtungen mit geringerem Zeit- und Integrationsaufwand, bspw. aufgrund der Verwendung etablierter Materialien wie Silizium, hergestellt werden können.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung eine erste und zweite elektrische Kontaktierung, wobei die erste Kontaktierung elektrisch leitfähig mit dem Metallmaterial verbunden ist; und wobei die zweite Kontaktierung elektrisch leitfähig mit dem Halbleitermaterial verbunden ist. Dabei sind die erste und zweite Kontaktierung dazu ausgebildet einen Fotostrom, basierend auf einer internen Photoemission, durch an dem Schottky-Übergang absorbierte elektromagnetische Strahlung, bereitzustellen. Durch die Kontaktierung kann der Fotostrom anderen Schaltungsteilen oder bspw. einer Auswertevorrichtung bereitgestellt werden.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind die erste und zweite Kontaktierung an einander gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung angeordnet. Alternativ sind die erste und zweite Kontaktierung auf einer gleichen Seite der Vorrichtung angeordnet. Einfach ausgedrückt können Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorder- oder eine Rückseitenkontaktierung aufweisen. Je nach weiterer Integration mit weiteren Elementen, kann eine vorteilhafte Bauform gewählt werden, sodass ein guter Kompromiss zwischen Herstellungs- und Integrationsaufwand erzielt werden kann.
  • Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen ein System zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen, wobei die Vorrichtungen in einem Raster angeordnet sind, und wobei die Substrate der Vielzahl von Vorrichtungen ein gemeinsames Substrat bilden. Erfindungsgemäß können somit Detektoren aus einer Vielzahl von zuvor beschriebenen Vorrichtungen aufgebaut sein, welche bspw. auch noch sehr geringe Mengen einfallender Strahlung absorbieren und detektieren können. Durch eine Einzelauswertung kann bspw. einen örtliche Lokalisation von Strahlung in den Schottky-Übergängen der einzelnen Vorrichtungen stattfinden. Bspw. kann das System Strukturen also bspw. die Vorrichtungen oder Strahlleiteinrichtungen als Multipixelanordnung für die Funktion als Bildsensor umfassen.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist das System ein Bildsensor. Somit können siliziumbasierte Bildsensoren mit geringen Kosten bei zugleich guter Verfügbarkeit und Effizienz bereitgestellt werden.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist die Vielzahl von Vorrichtungen in einem rechteckigen, quadratischen oder hexagonalen Raster angeordnet.. Somit können bspw. beliebige „freie“ Substratflächen mit erfindungsgemäßen Strahlungssensoren besetzt werden, sodass vorhandene Chipfläche gut ausgenutzt werden kann.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen die Metallmaterialien der Vielzahl von Vorrichtungen eine erste gemeinsame Kontaktierung auf und/oder das gemeinsame Substrat weist eine zweite gemeinsame Kontaktierung auf. Bspw. durch eine Anordnung in einem Raster können Kontaktierungen zusammengeführt werden, womit der Integrationsaufwand verringert werden kann.
  • Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele, welche Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen erläutert. Erfindungsgemäße Verfahren beruhen auf gleichen oder ähnlichen Überlegungen und Ideen wie erfindungsgemäße Vorrichtungen, sodass erfindungsgemäße Verfahren entsprechende Merkmale, Funktionalitäten und Vorteile von Vorrichtungen einzeln oder in Kombination aufweisen können. Umgekehrt können erfindungsgemäße Vorrichtungen auch entsprechende Merkmale, Funktionalitäten und Vorteile von Verfahren einzeln oder in Kombination aufweisen.
  • Weitere Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen ein Verfahren zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend Bestrahlen einer, einer Hauptseite eines Substrats gegenüberliegenden, Rückseite des Substrats mit der elektromagnetischen Strahlung, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, sodass die elektromagnetische Strahlung in eine auf der Hauptseite des Substrats angeordnete Strahlleiteinrichtung eindringt, und wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist. Ferner umfasst die Strahlleiteinrichtung einen ersten und einen zweiten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, und eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats verjüngt sich darüber hinaus mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker als im ersten Abschnitt. Das Verfahren umfasst im Weiteren ein Transmittieren der elektromagnetischen Strahlung durch den ersten und zweiten Bereich der Strahlleiteinrichtung, oder Reflektieren der elektromagnetischen Strahlung an einer Seitenwandstruktur des ersten und/oder zweiten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung; und ein Absorbieren der elektromagnetischen Strahlung in einem Schottky-Übergang, wobei der Schottky-Übergang von einem Metallmaterial zusammen mit dem zweiten Abschnitt bereitgestellt wird und wobei das Metallmaterial an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Abschnitts, angeordnet ist.
  • Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend ein Bereitstellen eines Substrats mit einer Hauptseite, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, und ein Anordnen einer Strahlleiteinrichtung an der Hauptseite des Substrats, wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist. Dabei ist das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent, und die Strahlleiteinrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, und wobei sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker verringert als im ersten Abschnitt. Ferner umfasst das Verfahren ein Anordnen eines Metallmaterials an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Abschnitts, wobei das Metallmaterial mit dem zweiten Abschnitt einen für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung eingerichteten Schottky-Übergang bereitstellt.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst das Anordnen der Strahlleiteinrichtung ein trockenchemisches und/oder ein nasschemisches Ätzverfahren. Erfindungsgemäße Herstellungsverfahren können bspw. zur Herstellung gerader Seitenwandstrukturen Trockenätzverfahren umfassen. Ferner können je nach Anwendung bspw. zur Erzeugung gekrümmter Seitenwandstrukturen auch nasschemische Ätzverfahren verwendet werden. Generell sind Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf eine Form von Ätzverfahren beschränkt, was weitere Freiheitsgrad im Hinblick auf eine Integration in bestehende Fertigungsprozesse ermöglicht.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst das Anordnen der Strahlleiteinrichtung ferner ein Anordnen eines Halbleitermaterials auf dem Substrat; und ein Ätzen des Halbleitermaterials mit einem trockenchemischen Ätzverfahren in zwei direkt aufeinanderfolgenden Prozessschritten unter Verwendung von zumindest zwei Parametrierungen. Dabei umfasst das Ätzen des Halbleitermaterials ein Ätzen des Halbleitermaterials in einem ersten Prozessschritt mit dem trockenchemischen Ätzverfahren mit einer ersten Parametrierung zur Erzeugung des ersten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung, und ein Ätzen des Halbleitermaterials in einem direkt darauffolgenden zweiten Prozessschritt mit dem trockenchemischen Ätzverfahren mit einer zweiten Parametrierung zur Erzeugung des zweiten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung. Dabei sind die erste und zweite Parametrierung des trockenchemischen Ätzverfahrens so gewählt, dass sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker verringert als im ersten Abschnitt.
  • Somit kann die Strahlleiteinrichtung bspw. ohne Entnahme aus einer Ätzvorrichtung in zwei direkt aufeinanderfolgenden Ätzschritten gefertigt werden, womit zum einen eine Zeitersparnis erzielt werden kann und zum anderen keine erneute Einspannung in weitere Vorrichtungen zum erneuten Ätzen notwendig sind, sodass die Strahlleiteinrichtung mit guter Präzision erzeugt werden kann.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ferner ein Bereitstellen einer Trägerschicht; und ein Anordnen einer Isolatorschicht auf der Trägerschicht; und ein Anordnen des Halbleitermaterials auf der Isolatorschicht; und ein zumindest teilweises Entfernen der Trägerschicht nach dem Anordnen der Strahlleiteinrichtung. Die Trägerschicht kann bspw. ebenfalls ein Halbleitermaterial umfassen und der Vorrichtung mechanische Stabilität bei der Bearbeitung verleihen und nach der Bearbeitung zumindest teilweise wieder entfernt werden. Dementsprechend können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein silicon-on-insulator (Silizium auf Nichtleiter) (SOI) Substrat aufweisen.
  • Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ferner ein Anordnen einer Mehrzahl von Strahlleiteinrichtungen an der Hauptseite des Substrats und ein Anordnen des Metallmaterials an den zweiten Abschnitten der Strahlleiteinrichtungen, an einer dem Substrat abgewandten Seite der zweiten Abschnitte, wobei das Anordnen der Mehrzahl von Strahlleiteinrichtungen ein partielles Entfernen des Halbleitermaterials in einem Bereich zwischen zumindest zwei benachbarten Strahlleiteinrichtungen umfasst und Anordnen einer gemeinsamen Kontaktierung der zumindest zwei benachbarten Strahlleiteinrichtungen in dem Bereich des partiell entfernten Halbleitermaterials.
  • Anders ausgedrückt können benachbarte Strukturen sich gemeinsame elektrische Kontakte teilen. Ein gemeinsamer elektrischer Kontakt kann bspw. als metallischer Steg ausgebildet sein. Mit einer gemeinsamen Kontaktierung kann zum einen der Kontaktierungsaufwand verringert werden und zum anderen können so auch geringe Fotoströme einer Mehrzahl von Schottky-Übergangen zusammengeführt werden, sodass auch sehr geringe Strahlungseinfälle auf die jeweiligen Strahlleiteinrichtungen detektiert werden können.
  • Figurenliste
  • Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hinsichtlich der dargestellten schematischen Figuren wird darauf hingewiesen, dass die dargestellten Funktionsblöcke sowohl als Elemente oder Merkmale der offenbarungsgemäßen Vorrichtung als auch als entsprechende Verfahrensschritte des offenbarungsgemäßen Verfahrens zu verstehen sind, und auch entsprechende Verfahrensschritte des offenbarungsgemäßen Verfahrens davon abgeleitet werden können. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
    • 2 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit abgeflachter Spitze und einem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung mit gekrümmter Seitenwandstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
    • 3 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit abgeflachter Spitze und einem ersten und einem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung mit jeweils gekrümmten Seitenwandstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
    • 4a ein schematische Seitenansichte einer Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit Vorderseitenkontaktierung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
    • 4b zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit einer Rückseitenkontaktierung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
    • 5 eine schematische Seitenansicht einer vereinfachten Schottky-Diode in Planartechnologie;
    • 6 eine schematische Seitenansicht der Schottky-Diode aus 5 bei Bestrahlung;
    • 7 eine schematische Ansicht eines Schottky-Übergangs zwischen einem Metall und einem Halbleiter im Bändermodell;
    • 8 eine schematische Seitenansicht einer Pyramidalstruktur in einem Siliziumsubstrat;
    • 9 einen schematischen Querschnitt einer Pyramidalstruktur und einen Ausschnitt aus einem Siliziumsubstrat aus dem die Struktur durch Ätzen entstanden ist, mit einer schematischen Darstellung eines Beispiels eines Strahlenganges;
    • 10 eine schematische Ansicht einer Pyramidalstruktur mit einer schematischen Darstellung eines Beispiels einer Auffaltung eines, durch nacheinander folgende Spiegelungen entstehenden, Strahlengangs in der Pyramidalstruktur;
    • 11 eine schematische Seitenansicht eines Systems zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
    • 12 eine schematische Seitenansicht einer Strahlleiteinrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
    • 13 eine schematische Seitenansicht einer konischen Fotodiode gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, mit einer schematischen Darstellung eines Beispiels eines Strahlenganges in der konischen Fotodiode;
    • 14 schematische Draufsichten von Strahlleiteinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 15 schematische Seitenansichten zweier Strahlleiteinrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
    • 16 eine schematische Draufsicht eines Systems zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit einer Vielzahl von Vorrichtungen mit quadratischer Grundfläche der Strahlleiteinrichtungen, welche in einem quadratischen Raster angeordnet sind;
    • 17 eine schematische Draufsicht eines Systems zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit einer Vielzahl von Vorrichtungen mit runder Grundfläche der Strahlleiteinrichtungen, welche in einem hexagonalen Raster angeordnet sind;
    • 18 eine schematische Seitenansicht eines SOI-Substrats gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
    • 19 eine schematische Seitenansicht einer Vielzahl von Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, welche auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
    • 20 eine schematische Seitenansicht einer Vielzahl von Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, welche auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, mit entfernter Trägerschicht, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
    • 21 ein Verfahren zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
    • 22 ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Beispiele gemäß den Figuren
  • Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
  • 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. 1 zeigt die Vorrichtung 100 umfassend ein Substrat 110 mit einer Hauptseite 112. An der Hauptseite 112 des Substrats 110 ist eine Strahlleiteinrichtung 120 angeordnet. Die Strahlleiteinrichtung weist einen ersten Abschnitt 122 und einen zweiten Abschnitt 124 auf, wobei der erste Abschnitt an der Hauptseite 112 des Substrats 110 angeordnet ist und wobei der zweite Abschnitt 124 an einer, dem Substrat 110 abgewandten, Seite des ersten Abschnitts 122 angeordnet ist. Die Querschnittsfläche (parallel zur Substrathauptseite 112) des zweiten Abschnitts 124 der Strahlleiteinrichtung 120 verringert sich dabei mit steigendem Abstand zur Hauptseite 112 stärker als die Querschnittsfläche (parallel zur Substrathauptseite 112) des ersten Abschnitts 122 der Strahlleiteinrichtung 120 mit steigendem Abstand zur Hauptseite 112.
  • Zur Verdeutlichung der Querschnittsveränderung ist in 1 für eine optionale Ausgestaltung als Strahlleiteinrichtung mit runder Querschnittsfläche das Koordinatensystem 150 eingezeichnet. Als Beispiel für eine runde erfindungsgemäße Querschnittsgeometrie verringert sich ein Radius r1 (und damit die zugehörige Querschnittsfläche Q) des ersten Abschnitts 122 der Strahlleiteinrichtung 120 mit steigendem Abstand A von der Hauptseite 112 des Substrats 110 geringfügiger als ein Radius r2 (und damit die zugehörige Querschnittsfläche Q) des zweiten Abschnitts 122 der Strahlleiteinrichtung 120 mit steigendem Abstand A von der Hauptseite 112 des Substrats 110. Ein Gradient dr1/dA wäre also beispielsweise betragsmäßig kleiner als ein Gradient dr2/dA. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass das Beispiel einer runden Geometrie und die Betrachtung von Radien lediglich zur Veranschaulichung der Querschnittsänderung dienen. Erfindungsgemäße Vorrichtung können eine Vielzahl von Grundflächen und Geometrien aufweisen.
  • Weiterhin ist, an dem zweiten Abschnitt 124 der Strahlleiteinrichtung 120 an einer, dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Abschnitts 124, ein Metallmaterial 130 angeordnet.
  • Das Substrat 110 ist für einen Wellenlängenbereich einer zu absorbierender elektromagnetischer Strahlung zumindest näherungsweise oder zumindest teilweise transparent, sodass die Strahlung bei einer Beleuchtung der, der Hauptseite 112 gegenüberliegenden, Seite des Substrats 110, durch das Substrat zur Strahlleiteinrichtung 120 transmittiert werden kann.
  • Die Strahlleiteinrichtung 120 wiederum weist ein Halbleitermaterial auf, welches ebenfalls zumindest teilweise oder zumindest näherungsweise transparent für die zu absorbierende elektromagnetische Strahlung ist. Somit kann die, durch das Substrat 110 transmittierte, elektromagnetische Strahlung in die Strahlleiteinrichtung 120 transmittiert werden.
  • Durch die geringe Änderung der Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 122 der Strahlleiteinrichtung bezüglich des Abstands A von der Hauptseite 112, kann der erste Abschnitt 122 über eine steile Seitenwandstruktur gegenüber der Hauptseite 112 des Substrats verfügen. Dadurch kann der erste Abschnitt 122 der Strahlleiteinrichtung 120 eine fokussierende Wirkung für einfallende Strahlung für eine Vielzahl von Einfallswinkeln aufweisen. Die Einfallswinkel können hierbei bspw. gegenüber der Substratnormalen gemessen werden. Einfach ausgedrückt, kann durch einen steilen Anstieg der Außenoberfläche der Strahlleitstruktur 120 gegenüber der Hauptseite 112 des Substrats 110 ein Großteil der in die Strahlleitstruktur 120 transmittierten Strahlung in Richtung des Metallmaterials 130 transmittiert werden, sodass der Teil der einfallenden Strahlung, welcher einen lokalen Einfallswinkel zu einer Grenzfläche zwischen Strahlleitstruktur 120 und Umgebung aufweist, welcher zu einer Brechung aus der Strahlleitstruktur 120 heraus führen würde, gering gehalten werden kann.
  • Wie bereits zuvor erläutert, ermöglicht die Ausgestaltung des zweiten Abschnitts 124 der Strahlleitstruktur 120 trotz der Nutzung der Vorteile des „steilen“ ersten Abschnitts 122, eine Höhenbegrenzung der Strahlleiteinrichtung, oder anders ausgedrückt können die Vorteile von guten Strahlleiteigenschaften mit den Vorteilen einer geringen Höhe der Strahlleiteinrichtung (Höhe bspw. in A-Richtung) synergetisch verbunden werden.
  • Ausgehend von dem ersten Abschnitt kann die eingefallene elektromagnetische Strahlung direkt zum Metallmaterial 130 geleitet werden, oder über erneute Reflexionen an einer Grenzfläche des zweiten Abschnitts 124 (oder auch über weitere Reflexionen im ersten Abschnitt).
  • Das Metallmaterial 130 ist dabei dazu ausgebildet mit dem zweiten Abschnitt 124, also bspw. mit dem Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung 120 des zweiten Abschnitts 124 einen Schottky-Übergang 140 zu bilden, sodass die zum Metallmaterial und damit zum Schottky-Übergang 140 geleitete elektromagnetische Strahlung absorbiert werden kann.
  • 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit abgeflachter Spitze und einem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung mit gekrümmter Seitenwandstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 200 umfasst ein Substrat 110 mit einer Hauptseite 112, sowie eine Strahlleiteinrichtung 220. Der erste Abschnitt 222 der Strahlleiteinrichtung 220 weist eine Seitenwandstruktur 221 auf, der zweite Abschnitt 224 der Strahlleiteinrichtung 220 weist eine Seitenwandstruktur 223 auf.
  • Wie optional in 2 gezeigt kann der zweite Abschnitt 224 der Strahlleiteinrichtung 220 eine an einer, dem Substrat abgewandten, Seite eine abgeflachte Spitze 240 aufweisen. Als weiteres optionales Merkmal ist das Metallmaterial 230 nur im Bereich dieser Spitze angeordnet. Dabei sei darauf hingewiesen, dass der zweite Abschnitt auch über eine nicht-abgeflachte Spitze, wie bspw. in 1 gezeigt verfügen kann, und dementsprechend das Metallmaterial in einem Bereich um die Spitze angeordnet sein kann.
  • Wie zuvor erläutert ist das Metallmaterial dazu ausgebildet mit dem Halbleitermaterial des zweiten Abschnitts 224 einen Schottky-Übergang zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung zu bilden. Der Schottky-Übergang kann dabei auf einen Wellenlängenbereich angepasst sein, oder anders ausgedrückt, bspw. durch Materialwahl dazu ausgebildet sein Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich gut zu absorbieren. Dabei kann eine Breite Bs eines abgeflachten Bereichs der Spitze 240 eine Breite parallel zur Hauptseite 112 des Substrats aufweisen, welche kleiner als eine kleinste Wellenlänge des Wellenlängenbereichs ist, oder welche in der Größenordnung einer Wellenlänge im entsprechenden Wellenlängenbereich liegt. Damit kann die Absorption der elektromagnetischen Strahlung begünstigt werden, bspw. aufgrund einer Reduktion der Reflexionsanteile der elektromagnetischen Strahlung.
  • Ganz allgemein können Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von zumindest 1000 nm und höchstens 3000 nm oder von zumindest 1000 nm und höchstens 1700 nm ausgebildet sein.
  • Optional kann das Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung 220 eine Dotierung aufweisen, und ein Dotiergrad der Dotierung hin zu dem Schottky-Übergang kann konstant, gestuft oder graduell veränderlich ausgebildet sein.
  • Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Spitze 240 (oder auch eine nicht-abgeflachte Spitze) dazu ausgebildet sein plasmonische Effekte in dem, im Bereich der Spitze aufgebrachten Metallmaterial 230 hervorzurufen und/oder zu verstärken. Damit kann wiederum eine Absorption der elektromagnetischen Strahlung begünstigt werden.
  • Wie optional in 2 gezeigt kann die Seitenwandstruktur 221 des ersten Abschnitts mit einem ersten Neigungswinkel α gegenüber einer Oberflächennormalen Nα der Hauptseite geneigt sein, sodass sich die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 222 mit steigendem vertikalen Abstand zur Hauptseite 112 des Substrats verjüngt. Durch die sich, ausgehend vom Substrat, verjüngende Geometrie des ersten Abschnitts kann in den ersten Abschnitt transmittierte Strahlung fokussiert werden, bspw. in Richtung des Metallmaterials 230, welches an dem zweiten Abschnitt 224 der Strahlleiteinrichtung angeordnet ist.
  • Als weiteres optionales Merkmal kann die Seitenwandstruktur 223 des zweiten Abschnitts 224 ebenfalls gegenüber einer Oberflächennormalen Nβ der Hauptseite geneigt sein. Der zugehörige Neigungswinkel beträgt β. Gemäß Ausführungsbeispielen kann der zweite Neigungswinkel β größer sein, als der erste Neigungswinkel α, sodass sich der zweite Abschnitt 224 ausgehend vom ersten Abschnitt 222 verjüngt, und damit eine stärkere Verringerung der Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts 224 mit zunehmendem vertikalen Abstand zur Hauptseite 112 im Vergleich zur Verringerung der Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 222 mit zunehmendem vertikalen Abstand zur Hauptseite 112 eingestellt werden kann.
  • Durch die sich stärker (als bspw. im ersten Abschnitt 222) verjüngende Geometrie des zweiten Abschnitts 224 kann durch die Neigung der Seitenwandstruktur einfallende elektromagnetische Strahlung fokussiert werden, bspw. in Richtung des Metallmaterials 230, sodass ein großer oder bspw. überwiegender Teil der eingefallenen Strahlung absorbiert werden kann. Ferner kann durch die Geometrie des zweiten Abschnitts eine Geometrie, bspw. eine laterale (in Bezug auf die Hauptseite 112) Ausdehnung, des Metallmaterials derart ausgebildet sein, dass plasmonische Effekte auftreten, welche eine Absorption eingefallener Strahlung, welche auf den durch das Metallmaterial 230 und das Halbleitermaterial des zweiten Abschnitts 224 gebildeten Schottky-Übergang begünstigen können.
  • Wie in 2 optional gezeigt kann der Neigungswinkel α bspw. ein Winkel zwischen einer Tangente Tα der ersten Seitenwandstruktur 221 und der Oberflächennormalen Nα am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung 220 sein.
  • Dementsprechend, kann wie optional in 2 gezeigt der Neigungswinkel β bspw. ein Winkel zwischen einer Tangente Tβ der zweiten Seitenwandstruktur 223 und der Oberflächennormalen Nβ am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung 220 sein.
  • 3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit abgeflachter Spitze und einem ersten und einem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung mit jeweils gekrümmten Seitenwandstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich zu Vorrichtung 200 weisen sowohl der erste Abschnitt 322 als auch der zweite Abschnitt 324 der Strahlleiteinrichtung 320 der Vorrichtung 300 gekrümmte Seitenwandstrukturen 321, 323 auf. Darüber hinaus weißt Vorrichtung 300 entsprechend Vorrichtung 200 eine abgeflachte Spitze 340 auf. Im Gegensatz zu Vorrichtung 200 kann das Metallmaterial 330 wie in 3 gezeigt jedoch auch außerhalb der unmittelbaren Abflachung der Spitze, also in einem Bereich um die abgeflachte Spitze herum, angeordnet sein
  • Ganz allgemein können beliebige Kombinationen von geraden und gekrümmten Seitenwandstrukturen verwendet werden. Insbesondere kann auch ein einzelner Abschnitt der Strahlleiteinrichtung über gerade und gekrümmte Seitenwandstrukturen verfügen. Darüber hinaus sei auch darauf hingewiesen, dass Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf symmetrische Strahlleiteinrichtungen eingeschränkt sind. So können Seitenwandstrukturen von Abschnitten der Strahlleiteinrichtung jeweils verschiedene Neigungswinkel aufweisen. Dementsprechend kann eine Spitze des zweiten Abschnitts auch außerhalb eines Bereichs um einen lateralen Mittelpunkt des zweiten Abschnitts 324 angeordnet sein.
  • Ferner sei auch darauf hingewiesen, dass Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Geometrien der Strahlleiteinrichtung aufweisen können. So kann die Strahlleiteinrichtung 220 eine zumindest teilweise runde, elliptische oder vieleckige Grundfläche aufweist, wobei die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung die Schnittfläche der Strahlleiteinrichtung mit dem Substrat 110 bildet
  • Wie in 3 gezeigt kann der Neigungswinkel der ersten Seitenwandstruktur 322 auch ein Neigungswinkel γ sein, welcher ein Winkel zwischen einer Sekante Ss der ersten Seitenwandstruktur 322 und der Oberflächennormalen Nγ ist, wobei die Sekante durch zwei vertikal, bezüglich der Hauptseite des Substrats, auf der ersten Seitenwandstruktur übereinanderliegende Punkte bestimmt ist, wobei ein erster der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen der ersten Seitenwandstruktur 322 und der Hauptseite 112 des Substrats 110 liegt und wobei ein zweiter der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung 320 liegt (erster Punkt Pγ1, zweiter Punkt Py2).
  • Dementsprechend kann der Neigungswinkel der zweiten Seitenwandstruktur 322 auch ein Neigungswinkel δ sein, welcher ein Winkel zwischen einer Sekante Sδ der zweiten Seitenwandstruktur 323 und der Oberflächennormalen Nδ ist, wobei die Sekante durch zwei vertikal, bezüglich der Hauptseite 112 des Substrats, auf der zweiten Seitenwandstruktur 323 übereinanderliegende Punkte bestimmt ist, wobei ein erster der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung liegt und wobei ein zweiter der beiden Punkte einen Punkt des zweiten Abschnitts mit dem größten vertikalen Abstand zur Hauptseite des Substrats bildet (erster Punkt Pδ1, zweiter Punkt Pδ2).
  • Ganz allgemein kann der erste Neigungswinkel, also bspw. Winkel α oder Winkel γ, zumindest 1° und höchstens 25° betragen oder weniger als 10°. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Neigungswinkel, also bspw. Winkel β oder Winkel δ, zumindest 10° und höchstens 90° betragen.
  • Als weiteres optionales Merkmal kann eine auf die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung projizierte Breite BA einer Grenzfläche zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung 320 zumindest das 0,2-fache einer Wellenlänge des Wellenlängenbereichs und höchstens das 15-fache einer Wellenlänge des Wellenlängenbereichs betragen, wobei die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung 320 eine Schnittfläche der Strahlleiteinrichtung mit dem Substrat 110 ist.
  • Ferner kann eine Höhe H, vertikal zur Hauptseite des Substrats, einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 bspw. zumindest 0,5 µm und höchstens 25 µm aufweisen.
  • Bezug nehmend auf 1-3, kann das Halbleitersubstrat 110 optional einen Schichtstapel umfassen. Ferner kann das Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung 120, 220, 320 zumindest eines aus Silizium, Germanium und/oder eine Materialverbindung umfassend Silizium und/oder Germanium umfassen. Das Metallmaterial 130, 230, 330 kann wiederum ebenfalls einen Schichtstapel umfassen. Ferner kann das Metallmaterial 130, 230, 330 zumindest eines aus einem Metall, einem Silizid und/oder einem metallischen Nitrid umfassen. Bspw. kann das Metallmaterial 130, 230, 330 zumindest eines aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Gold, Titan, Nickelsilizid, Cobaltsilizid, Titansilizid und/oder Titannitrid aufweisen.
  • 4a zeigt eine schematische Seitenansichte einer Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit Vorderseitenkontaktierung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung 4b zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit einer Rückseitenkontaktierung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. In 4a und 4b sind die Vorrichtungen 400a und 400b gezeigt. Beide Vorrichtungen umfassen ein Substrat 110 mit einer Hauptseite 112 und eine Strahlleiteinrichtung 420, welche bspw. gemäß einem der vorigen Ausführungsbeispiele ausgebildet sein kann. Beide Vorrichtungen weisen als optionales Merkmal eine erste Kontaktierung 440 auf, welche elektrisch leitfähig mit dem jeweiligen Metallmaterial 430 verbunden ist.
  • Die Vorrichtung 400a weist ein Kontaktmaterial 450a auf, welches bspw. einen gute Leitfähigkeit aufweisen kann und an dem Halbleitermaterial des zweiten Abschnitts 424 der Strahlleiteinrichtung angeordnet ist, bspw. wie in 4a gezeigt in unmittelbarer Nähe zum Metallmaterial.
  • Gemäß dem Beispiel der Vorrichtung 400a kann die Vorrichtung eine zweite Kontaktierung 460a aufweisen, welche auf dem Kontaktmaterial angeordnet ist. Die zweite Kontaktierung 460a ist dementsprechend elektrisch leitfähig mit dem Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung 420 verbunden. Entsprechend können das erste und/oder zweite Kontaktmaterial 450a, 450b jeweils als ohmscher Kontakt ausgebildet sein. Bspw. kann die Kontaktierung jedoch auch über andere leitfähige Materialien, wie bspw. dotierte Halbleiterbereiche bereitgestellt werden.
  • Gemäß dem Beispiel der Vorrichtung 400b kann ein Kontaktmaterial 450b jedoch auch dazu ausgebildet sein, eine elektrisch leitfähige Verbindung des Halbleiterbereichs des zweiten Abschnitts in der unmittelbaren Nähe des Metallmaterials 430 bis zur, der Hauptseite 112 entgegengesetzten, Seite des Substrats 110. Somit kann eine zweite Kontaktierung 460b auf der Rückseite des Substrats angeordnet sein. Die zweite Kontaktierung 460b ist dementsprechend elektrisch leitfähig mit dem Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung 420 verbunden.
  • Die erste und zweite Kontaktierung kann in beiden Fällen jeweils dazu ausgebildet sein einen Fotostrom, basierend auf einer internen Photoemission, durch an dem Schottky-Übergang absorbierte elektromagnetische Strahlung, bereitzustellen.
  • Gemäß dem Beispiel der Vorrichtung 400a können sich die erste und zweite Kontaktierung auf einer gleichen Seite der Vorrichtung befinden. Alternativ können sich die erste und zweite Kontaktierung, wie bei Vorrichtung 400b auf einer gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung befinden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist der Kontakt 450a außerhalb der Spitze auf der Vorderseite angeordnet und der Kontakt 450b ist direkt an der Rückseite (bspw. ohne Leitbahn auf der Vorderseite, z.B. direkter Substratkontakt) angeordnet. Eine solche Anordnung kann bspw. einfacher zu realisieren sein, als die in 4a und 4b gezeigten Vorrichtungen mit den ohmschen Kontakten 450a und 450b.
  • Generell können Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung vorder- oder rückseitige Kontaktierungen umfassen.
  • Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele erläutert und einige vorherig erläuterte Ausführungsbeispiele in anderen Worten erklärt. Dazu werden zuerst erfindungsgemäße Ideen oder Lösungsideen der Erfindung gemäß Ausführungsbeispielen in anderen Worten erläutert.
  • Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, das die im Stand der Technik beschriebenen Pyramidalstrukturen zwar prinzipiell geeignet sind elektromagnetische Strahlung in einen kleinen Raumbereich an der Spitze zu fokussieren und damit die Empfindlichkeit (bzw. das Signal-Rausch-Verhältnis) zu verbessern, die Wirkung dieser Eigenschaft jedoch aufgrund der technologisch bedingt zu großen Flankenwinkel völlig unzureichend für sinnvolle Applikationen ist.
  • Dieser Sachverhalt ist in 10 schematisch dargestellt. Die Pyramidenstruktur 50 hat eine Basis 56 und eine Spitze 55, die die Projektion des metallisierten Bereichs auf die Grundfläche darstellt. Der Flankenwinkel α 12 ist wie in 9 definiert. Dargestellt sind zwei Facettenkanten 51 und 52 der Pyramide. Ebenfalls eingezeichnet sind Spiegelbilder 53 und 54 der beiden Facetten 51 und 52 (gegenseitige Spiegelungen). Die zugehörigen Spiegelbilder der Spitze 55 sind mit 57, 58 und 59 bezeichnet. Diese Darstellung entspricht einer Auffaltung des durch nacheinander folgende Spiegelungen entstehenden Zick-Zack-Verlaufs von Lichtstrahlen in der Pyramide. Unter Zuhilfenahme der Spiegelbilder lassen sich Lichtstrahlen als gerade Linien darstellen. Ein erster Lichtstrahl 60 tritt in die Pyramide ein, kreuzt die Facette 52 einmal und trifft auf das Spiegelbild 57 der Spitze 55. Das entspricht real einer Spiegelung an der Facette 52. Ein zweiter Lichtstrahl 61 tritt ebenfalls in die Pyramide ein, kreuzt jedoch nacheinander die Facette 52 und die Spiegelbilder 53 und 54 ohne auf eines der Spiegelbilder 57, 58 und 59 zu treffen. Vielmehr kreuzt er noch weitere, nicht mehr eingezeichnete, Spiegelbilder der Facetten 51 und 52 ohne jemals auf ein Spiegelbild der Spitze 55 zu treffen. Das bedeutet real, dass der Strahl 61 nach einer Reihe von Reflexionen an den Facetten die Pyramide wieder verlässt ohne detektiert worden zu sein, da er die Spitze 55 verfehlt.
  • Obige Analyse führt zur Erkenntnis, dass zum einen die Metallisierung der Spitze eine sinnvolle, von der Basisbreite abhängige, Mindestabmessung (auf die Grundfläche projizierte Breite/Fläche) aufweisen sollte oder bspw. sogar aufweisen muss, da sonst ein Großteil der Strahlung die Pyramide durch Reflexion, ohne detektiert zu werden, wieder verlassen kann. Zum anderen kann durch eine Verkleinerung des Flankenwinkels α bei gleichbleibender Basis- und Spitzenbreite erreicht werden, dass ein Lichtstrahl auch nach mehreren Reflexionen die Metallisierung noch treffen kann. Somit kann die Fokuseigenschaft der Struktur erheblich verbessert werden.
  • Demzufolge kann ein erster Schritt zur Lösung in einer deutlichen Verkleinerung des Flankenwinkels, bspw. vorzugsweise kleiner als 10° liegen. Die hierdurch steiler werdende Pyramide kann bei gleicher Grundfläche jedoch erheblich höher werden. Dieser Umstand ist nicht wünschenswert, da die Realisierung mit den Standardverfahren der Halbleitertechnik bei zunehmender Strukturhöhe deutlich erschwert werden kann. Eine erfindungsgemäße Lösung dieses Problems liegt in einer Zweiteilung der Pyramidalstruktur in einen unteren Bereich mit kleinem Flankenwinkel und einem oberen Bereich mit größerem Flankenwinkel. Die auf die Grundfläche der Struktur projizierte Breite des oberen Bereichs kann dabei bspw. vorteilhaft in der Größenordnung einiger Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung im Halbleiter liegen. Anders ausgedrückt kann der Schottky-Übergang auf einen Wellenlängenbereich angepasst sein und eine auf die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung projizierte Breite einer Grenzfläche zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung kann in einer Größenordnung einiger Wellenlängen von Wellenlängen des Wellenlängenbereichs liegen . Eine mögliche Ausführungsvariante ist schematisch in 11 als Seitenansicht dargestellt. 11 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Systems zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das System umfasst eine Vielzahl von Vorrichtungen, welche jeweils Strahlleiteinrichtungen umfassend einen ersten Abschnitt 20 und einen zweiten Abschnitt 24 aufweisen. Die Strahlleiteinrichtungen sind auf einem gemeinsamen Substrat 1 angeordnet und können in einem Raster angeordnet sein. Anders ausgedrückt bestehen die Strukturen aus dem unteren Bereich 20 und dem oberen Bereich 24 und können bspw. mit unterschiedlichen Trockenätzverfahren aus dem Substrat 1 heraus hergestellt werden. Die Facettenoberflächen müssen dabei, wie für den oberen Bereich 24 angedeutet, nicht notwendig eben sein. Sie können bspw. durchaus eine Krümmung aufweisen. Eine derartige Form der oberen Struktur 24 kann dabei neben der Höhenbegrenzung noch den bspw. großen Vorteil haben selbst eine fokussierende Wirkung zu haben und bspw. durch die Zuspitzung die oben erwähnten plasmonischen Effekte prinzipiell zu ermöglichen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass eine ebene Begrenzung der Strahlleiteinrichtung, hier als Beispiel ausgebildet als Pyramide (Pyramidenstumpf) mit einer flachen Facette parallel zur Substratoberfläche zwar technologisch einfacher, hier aber bspw. nicht zielführend sein kann. Eine flache Facette könnte nämlich vorwiegend wieder als Planspiegel wirken und bspw. den Großteil der Strahlung zurückreflektieren. Da, wie oben ausgeführt, die Breite (oder die projizierte Fläche) der oberen Struktur 24 nicht zu klein sein sollte oder sogar sein darf, um die fokussierende Wirkung noch zu gewährleisten oder zumindest zu ermöglichen, könnte an der Stelle auch eine sehr kleine plane Oberfläche, die möglicherweise ebenfalls plasmonische Effekte zulassen würde, weitgehend unwirksam sein.
  • Dieser neuartige, bisher in der Literatur nicht beschriebene, Ansatz einer Zweiteilung der Strukturen ist nicht auf Pyramiden beschränkt. Bspw. durch die Abkehr von dem in der Literatur beschriebenen anisotropen nasschemischen Ätzverfahren hin zu trockenchemischen Prozessen kann gemäß Ausführungsbeispielen eine weitaus vielfältigere Strukturgebung ermöglicht werden. Insbesondere können unterschiedliche Ätzverfahren kombiniert werden in dem z.B. für den unteren Bereich 20 ein anderes Verfahren verwendet wird als für den oberen Bereich 24, so dass im unteren Bereich 20 die Flächen nahezu eben sind und im oberen Bereich 24 eine Krümmung aufweisen. Alle sinnvoll einsetzbaren Strukturen haben jedoch die nach oben spitz zulaufende Form gemeinsam. Anders ausgedrückt verringert sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker als im ersten Abschnitt. Deshalb werden sie im Folgenden als Beispiel für Ausgestaltungen der Strahlleiteinrichtungen mit dem Sammelbegriff konische Strukturen bezeichnet, selbst wenn ein Konus im üblichen Sprachgebrauch einen runden Querschnitt hat. Im Sinne der Erfindung sind damit insbesondere auch andere Querschnittsformen, z.B. Vielecke, Kreise und Ellipsen, darunter zu verstehen, deren Flankenwinkel sich auch mindestens einmal ändern kann.
  • Das Aufbringen des Metallmaterials, bspw. die Metallisierung kann gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ebenfalls vorteilhaft (jedoch nicht notwendig) nur im Bereich der Spitze erfolgen. Da an einem Schottky-Übergang Ladungsträger auch durch thermische Anregung über die Barriere hinweg in den angrenzenden Halbleiter gelangen können, was zu einem erhöhten Dunkelstrom und damit verbunden einem elektrischen Rauschen führen kann, kann es bspw. sehr vorteilhaft sein die Grenzfläche des Schottky-Übergangs klein zu halten. In Verbindung mit der fokussierenden Wirkung der konischen Struktur oder anders ausgedrückt, bspw. des ersten und/oder zweiten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung mit der erfindungsgemäßen Querschnittsänderung, die die Strahlung in den Bereich des Metallmaterials, bspw. der Metallisierung lenkt, kann sich dann eine u.U. deutliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses ergeben.
  • Eine allgemeine Beschreibung der konischen Strukturen kann bspw. über die Form der Berandungskurven in einem Schnitt senkrecht zur Substratoberfläche erfolgen. Dabei können die Schnitte bspw. vorteilhaft so gelegt werden, dass sie die mögliche Symmetrie der konischen Struktur berücksichtigen. In 12 ist beispielhaft ein solcher Querschnitt durch eine z.B. runde oder quadratische konische Struktur 10 gezeigt. 12 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Strahlleiteinrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Die Struktur wird im unteren Bereich von den Kurvenstücken 70a und 70b berandet. Zum oberen Bereich gehören die Kurvenstücke 71a und 71b. Die unterschiedlichen Flankenwinkel 74 und 75 werden von der Normale 72 zur Substratoberfläche aus gemessen. Da die einzelnen Kurvenstücke eine Krümmung aufweisen können, werden für eine sinnvolle Definition der Flankenwinkel 74 und 75 die Tangenten 73a und 73b an die Kurvenstücke an den Punkten gebildet, an denen sie aufeinander treffen. Aus 12 ist ersichtlich, dass sich Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung in dieser Beschreibung dadurch auszeichnen können, dass der Flankenwinkel β 75 größer als der Flankenwinkel α 74 ist. Vorteilhaft sind z.B. für den Winkel α 74 Werte dem Betrage nach zwischen 1 ° und 25° und für den oberen Winkel β 75 Werte dem Betrage nach zwischen 10° und 90°.
  • Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass obige Definition der Flankenwinkel aus prozesstechnischer Sicht bei der Herstellung solcher Strukturen eine Idealisierung darstellen kann, da die betreffenden Flächenstücke real bspw. immer eine gewisse Rauigkeit aufweisen können. Auch der Übergang von einem Kurven (Flächen-) stück zum nächsten kann Unebenheiten und kleine Abweichungen von der Sollform haben. Das Anlegen von Tangenten kann in diesem Sinne als Mittelwertbildung der tatsächlichen Kurvenpunkte über ein hinreichend kleines Stück der Kurve verstanden werden.
  • So umfassen Ausführungsbeispiele z.B. auch solche Strukturen, die beim Übergang des Kurvenstücks 70a zum Kurvenstück 71a einen kleinen Absatz oder Steg aufweisen oder bei denen beim Übergang der Kurve 71a zu 71b Verrundungen in der Spitze auftreten.
  • Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung können unterschiedliche Formen der Strahlleiteinrichtungen, bspw. ausgebildet als zweistufigen konischen Strukturen, aufweisen. Das kann sowohl die Grundform der Strukturbasis, also bspw. die Schnittfläche der Strahlleiteinrichtung mit dem Substrat, als auch die Form der Flächenstücke, also bspw. der Seitenwandstruktur, (bspw. gekrümmt oder gerade) aus denen sie bestehen können, betreffen. Unabhängig von der Formgebung können einige oder sogar alle Ausführungsbeispiele oder Ausführungsvarianten auf dem IPE-Prinzip basieren und können deshalb einen Schottky-Übergang zumindest in der (ggf. abgeflachten Spitze der konischen Struktur aufweisen.
  • In 14 sind drei mögliche Formen der Strukturbasis in Draufsicht dargestellt. Anders ausgedrückt zeigt 14 schematische Draufsichten von Strahlleiteinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung. Aus einer quadratischen Basis 20 entsteht eine zweistufige vierseitige Pyramide. Eine kreisförmige Basis 30 ergibt einen zweistufigen Kegel. Das dritte Beispiel zeigt eine hexagonale Basis 40 aus der eine zweistufige hexagonale Pyramide entsteht.
  • In 15 sind zwei mögliche Ausführungen im Querschnitt senkrecht zur Substratoberfläche gezeigt. Anders ausgedrückt zeigt 15 schematische Seitenansichten zweier Strahlleiteinrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die erste Struktur 1510 besteht aus vier Kurvenstücken, bei denen der untere Bereich, also bspw. der erste Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, eine gerade Berandung und der obere Bereich, also bspw. der zweite Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, eine gekrümmte Berandung mit einer Spitze aufweist. Die zweite Ausführung 1520 hat zusätzlich ein fünftes Kurvenstück (klein gegenüber der sonstigen Strukturgröße) im oberen Bereich, durch den die konische Struktur einen flachen Abschluss hat. In anderen Worten weißt die Strahlleiteinrichtung 1520 eine abgeflachte Spitze auf. Die zweite Ausführung kann prozesstechnische Vorteile aufweisen.
  • Für die Realisierung der Strahlleiteinrichtungen, bspw. ausgebildet als konischen Strukturen, können gemäß Ausführungsbeispielen unterschiedliche Halbleitermaterialien verwendet werden. Neben Silizium kann auch Germanium oder eine Legierung aus Silizium und Germanium verwendet werden. Weiterhin kann der Halbleiter eine n oder p Dotierung aufweisen, wodurch entweder Elektronen oder Löcher die Majoritäts-Ladungsträger der Vorrichtung, bspw. ausgebildet als einen Diode, sind. Die Dotierung kann homogen oder graduell zur Grenzfläche hin ausgeführt sein.
  • Der Schottky-Übergang kann durch Überdeckung des Halbleiters mit einem Metallmaterial, bspw. umfassend ein Metall, erreicht werden. Das kann z.B. Aluminium, Kupfer, Nickel, Gold oder Titan sein. Weiterhin können auch Silizide, wie z.B. Nickelsilizid (NiSi), Cobaltsilizid (CoSi) der Titansilizid (TiSi) Verwendung finden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von metallischen Nitriden, wie etwa Titannitrid (TiN). Ein wesentliche Bedingung an den Werkstoff auf der Metallseite des Bauelements kann eine ausreichende oder gute elektrische Leitfähigkeit sein. Neben einem einzelnen metallischen Werkstoff kann auch ein Schichtstapel verschiedener Materialien wie z.B. TiN/AI zum Einsatz kommen.
  • Weiterhin kann ein System von erfindungsgemäßen Vorrichtungen, bspw. ausgebildet als eine Diode, aus mehreren Strahlleiteinrichtungen, bspw. in Form von konischen Strukturen, aufgebaut sein oder diese umfassen. Diese können, müssen aber nicht, in einem Raster angeordnet sein. Es sind unterschiedliche Raster möglich, z.B. quadratisch oder hexagonal. 16 zeigt eine schematische Draufsicht eines Systems zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit einer Vielzahl von Vorrichtungen mit quadratischer Grundfläche der Strahlleiteinrichtungen, welche in einem quadratischen Raster angeordnet sind. 17 zeigt eine schematische Draufsicht eines Systems zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit einer Vielzahl von Vorrichtungen mit runder Grundfläche der Strahlleiteinrichtungen, welche in einem hexagonalen Raster angeordnet sind. Anders ausgedrückt zeigen 16 als Beispiel eine quadratische Anordnung von quadratischen Pyramidalstrukturen in einer Diode und 17 eine hexagonale Anordnung von Kegelstrukturen. Durch die Kombination mehrerer konischer Strukturen zu einem System, bspw. einer Diode, kann die Empfindlichkeit der Absorptionsvorrichtung, bspw. in Form einer Diode, erhöht werden, da die effektive Gesamtfläche vergrößert wird. Die Spitzen können dabei mit einer gemeinsamen Metallisierung versehen werden.
  • In anderen Worten kann allgemein also ein erfindungsgemäßes System 1600, 1700 zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1620, 1720 umfassen, wobei die Vorrichtungen in einem Raster 1630, 1640 angeordnet sind, und wobei die Substrate der Vielzahl von Vorrichtungen ein gemeinsames Substrat 1610, 1710 bilden. Optional kann das System 1600, 1700 bspw. als Diode oder Bildsensor ausgebildet sein. Beispielsweise kann das System 1600, 1700 ein focal plane array (FPA) aufweisen oder als solches ausgebildet sein. FPAs können bei Anwendungen im Infrarotbereich Bildsensoren umfassen oder als solche ausgebildet sein. Anders ausgedrückt können Bildsensoren im Infraroten als FPA bezeichnet werden, bspw. obwohl sie der Funktion nach Bildsensoren sind. Wie im Kontext von 16 und 17 erläutert können erfindungsgemäße Vorrichtungen und deren Strahlleiteinrichtungen in einer beliebigen Rasterform angeordnet sein, bspw. in einem rechteckigen, quadratischen oder hexagonalen Raster.
  • Wie zuvor erläutern kann ein Kontaktierungsaufwand vereinfacht werden, indem bspw. Metallmaterialien der Vielzahl von Vorrichtungen 1620, 1720 eine erste gemeinsame Kontaktierung aufweisen und/oder wobei das gemeinsame Substrat 1610, 1710 eine zweite gemeinsame Kontaktierung aufweist.
  • Eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bspw. als konische Fotodiode ist in 13 als schematische Seitenansicht dargestellt. 13 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine quadratische konische Struktur 20, bei der der untere Bereich von Geraden 21 und der obere Bereich von Kurvenstücken 24 berandet ist. Durch den steileren Flankenwinkel α 22 erreichen die drei exemplarisch gezeigten Lichtstrahlen 26, 27 und 28, auch nach mehreren Reflexionen, das Metallmaterial, bspw. eine Metallisierung 25 der Struktur. Hierin wird der deutliche Vorteil gegenüber dem Stand der Technik in 9 sichtbar.
  • Hierbei sei auch darauf hingewiesen, dass ganz allgemein das Metallmaterial wie in 13 gezeigt die gesamte, der Hauptseite des Substrats 1 gegenüberliegende Oberfläche der Strahlleiteirichtung bedecken kann, oder bspw. wie in 1 gezeigt nur einen Teil davon, bspw. einen Bereich um die Spitze des zweiten Abschnitts herum.
  • Grundsätzlich, wie bspw. anhand von 4a und 4b erläutert, kann die erfindungsgemäße Lösung auch derart ausgeführt sein, dass die zwei Kontakte zur elektrischen Kontaktierung der Vorrichtung, bspw. ausgebildet als Fotodiode nicht, wie in 6 dargestellt, auf der Vorderseite des Substrats angeordnet sind, sondern sich ein Kontakt auf der Substratrückseite (Rückseitenkontaktierung des Halbleiters) befindet.
  • Als grundlegende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik können hier noch einmal die ökonomischen Vorzüge der Siliziumtechnologie und Nachhaltigkeitsaspekte durch den Verzicht auf Schwermetalle wie Arsen und Blei hervorgehoben werden.
  • 18 zeigt eine schematische Seitenansicht eines SOI-Substrats gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
  • Als Substrat für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen, bspw. ausgebildet als konische Fotodioden, kann auch ein sogenanntes SOI Substrat 500 (Silicon-on-insulator) verwendet werden. Das Substrat kann bspw. aus drei Schichten bestehen. Die erste Schicht 510 kann aus einem Halbleitermaterial bestehen und wird als Trägerschicht bezeichnet. Sie kann, bspw. mit einigen 100µm Dicke, die mechanische Stabilität bei der Bearbeitung verleihen. Die zweite Schicht 520 kann aus einem Isolatormaterial bestehen und kann bspw. sehr viel dünner als die Trägerschicht 500 ausgebildet sein, z.B. typischerweise im Bereich einiger 100nm oder einiger Mikrometer. Die dritte Schicht 530 kann wiederum aus einem Halbleitermaterial bestehen und kann in der Dicke je nach Anwendung variieren. In der Halbleitertechnik wird fast ausschließlich mit der Materialkombination Silizium-Siliziumdioxid-Silizium gearbeitet.
  • Das elektronisch funktionale Bauelement kann dabei in der dritten Schicht 530, die in ihren Eigenschaften (z.B. Dotierung) angepasst sein kann, entstehen oder anders ausgedrückt im Zuge eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erzeugt werden.
  • Der Vorteil bei der Verwendung derartiger Substrate kann für Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung in der Möglichkeit bestehen nach erfolgter Prozessierung der Vorrichtungen, welche bspw. als Dioden ausgebildet sein können, in der Funktionsschicht 530 die Trägerschicht 510 selektiv (z.B. durch nasschemisches Ätzen) gegenüber der Isolatorschicht 520 entfernen zu können. Hierdurch kann der Lichtweg durch das Substrat substanziell verkürzt werden.
  • 19 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vielzahl von Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, welche auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. 19 zeigt bspw. ein Zwischenprodukt eines Herstellungsprozesses.
  • Die Lichtleiteinrichtungen, bspw. ausgebildet als konischen Strukturen 540 für die Vorrichtungen, welche bspw. Fotodioden sein können, können in die dritte Schicht 530 hineinstrukturiert werden, bspw. durch Ätzprozesse, bspw. mittels eines trockenchemischen Ätzverfahren in zwei direkt aufeinanderfolgenden Prozessschritten unter Verwendung von zumindest zwei Parametrierungen, Wenn benachbarte Strukturen einen gemeinsamen elektrischen Kontakt benötigen, kann ein dünner Steg 550 zwischen diesen Strukturen stehen bleiben. Ist dies nicht der Fall, so kann die Seitenwand der konischen Struktur auch bis auf die zweite Schicht 520 reichen.
  • Anders ausgedrückt kann also bspw. das Anordnen einer Strahlleiteinrichtung an der Hauptseite des Substrats ein Bearbeiten der dritten Schicht 530 umfassen, sodass die Strahlleiteinrichtung an der zweiten Schicht 520 oder an einer verbleibenden Teil der dritten Schicht des SOI Substrats 500 angeordnet ist.
  • 20 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vielzahl von Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, welche auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, mit entfernter Trägerschicht, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
  • Das Entfernen der Trägerschicht 510 kann den Lichtweg durch das Substrat bei einer Rückseitenbeleuchtung bspw. entscheidend verkürzen. Hierdurch können Restabsorption im Substrat und ein mögliches Übersprechen zwischen unterschiedlichen konischen Strukturen minimiert werden.
  • In anderen Worten können Verfahren gemäß Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als weiteres optionales Merkmal ferner ein Bereitstellen einer Trägerschicht 510; und ein Anordnen einer Isolatorschicht 520 auf der Trägerschicht; und ein Anordnen des Halbleitermaterial 530s auf der Isolatorschicht und ein zumindest teilweises Entfernen der Trägerschicht nach dem Anordnen der Strahlleiteinrichtung 540 umfassen.
  • Allgemein können ferner Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ein Anordnen einer Mehrzahl von Strahlleiteinrichtungen 540 an der Hauptseite des Substrats umfassen und ein Anordnen des Metallmaterials an den zweiten Abschnitten der Strahlleiteinrichtungen (nicht gezeigt), an einer dem Substrat abgewandten Seite der zweiten Abschnitte; wobei das Anordnen der Mehrzahl von Strahlleiteinrichtungen ein partielles Entfernen des Halbleitermaterials in einem Bereich 550 zwischen zumindest zwei benachbarten Strahlleiteinrichtungen umfasst und ein Anordnen einer gemeinsamen Kontaktierung (nicht gezeigt) der zumindest zwei benachbarten Strahlleiteinrichtungen in dem Bereich 550 des partiell entfernten Halbleitermaterials.
  • Ferner sei im Hinblick auf 18 bis 20 darauf hingewiesen, dass das SOI Substrat 500 das Substrat der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden kann. Wird bspw. wie in 19 gezeigt ein Teil der Halbleiterschicht 530 unterhalb des zu Strahlleiteinrichtungen 540 strukturierten Halbleitermaterials „stehen gelassen“ so kann ein erfindungsgemäßes Substrat durch ein SOI Substrat gebildet sein. In einem solchen Fall kann bspw. die Schicht 510 nur gedünnt und nicht vollständig entfernt sein. Alternativ kann das Substrat der Vorrichtung auch nur durch die Isolatorschicht 520 der SOI Anordnung 500 gebildet sein, bspw. wenn aus der Schicht 530 die Strahlleiteinrichtungen herausgeätzt werden, bis „hinunter“ auf die Isolatorschicht 520. In diesem Fall kann bspw. auch die Schicht 510 vollständig entfernt sein, sodass das Substrat unterhalb der Strahlleiteinrichtungen nur durch die Schicht 520 gebildet ist. Erfindungsgemäß sind jedoch auch Kombination der Schichten und Kombination von teilentfernten Schichten des SOI-Substrats als Substrat für die Strahlleiteinrichtungen möglich. Darüber hinaus kann gemäß Ausführungsbeispielen ebenfalls eine mechanische Stabilisierung des Systems bei vollständig entfernter Trägerschicht 510 durch eine Beschichtung der, bspw. fertig prozessierten, Vorrichtungen, bspw. ausgebildet als Dioden, auf der Vorderseite mit unterschiedlichen Materialien verschiedener Dicke vorgenommen werden. In anderen Worten kann die Vorrichtung von Seite der Strahlleiteinrichtungen 540 her (bspw. bei bereits aufgebrachtem Metallmaterial, bspw. in Form einer Metallisierung) mit einem oder mehreren Materialien unterschiedlicher Dicke beschichtet werden. Dies kann bspw. Vorteile aufweisen, wenn die Schicht 520, bspw. in Form einer SiO2 Schicht, sehr dünn ausgebildet ist und damit über keine ausreichende mechanische Steifigkeit oder Stabilität verfügt. Anders ausgedrückt kann eine dünne oder sogar sehr dünne SiO2 Schicht, bspw. als Isolatorschicht 520, keine ausreichend große mechanische Steifigkeit aufweisen, sodass bspw. weitere Beschichtungen zur Stabilisierung aufgebracht werden können. Das Aufbringen von zusätzlichen stabilisierenden Beschichtungen ist jedoch auch bei teilentfernter Trägerschicht 510, oder bspw. bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die mechanische Steifigkeit bei nicht-entfernter Trägerschicht 510, möglich.
  • 21 zeigt ein Verfahren zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. 21 zeigt Verfahren 2100 umfassend Bestrahlen 2110 einer, einer Hauptseite eines Substrats gegenüberliegenden, Rückseite des Substrats mit der elektromagnetischen Strahlung, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, sodass die elektromagnetische Strahlung in eine auf der Hauptseite des Substrats angeordnete Strahlleiteinrichtung eindringt, und wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, und wobei die Strahlleiteinrichtung einen ersten und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei der erste Abschnitt dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, und wobei sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker verringert als im ersten Abschnitt. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt 2120 umfassend ein Transmittieren der elektromagnetischen Strahlung durch den ersten und zweiten Bereich der Strahlleiteinrichtung, oder ein Reflektieren der elektromagnetischen Strahlung an einer Seitenwandstruktur des ersten und/oder zweiten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung. Darüber hinaus umfasst das Verfahren ein Absorbieren 2130 der elektromagnetischen Strahlung an einem Schottky-Übergang, wobei der Schottky-Übergang von einem Metallmaterial zusammen mit dem zweiten Abschnitt bereitgestellt wird, wobei das Metallmaterial an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Abschnitts, angeordnet ist.
  • 22 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 2200 umfasst ein Bereitstellen 2210 eines Substrats mit einer Hauptseite, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist und ein Anordnen 2220 einer Strahlleiteinrichtung an der Hauptseite des Substrats, wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, und wobei die Strahlleiteinrichtung einen ersten und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei der erste Abschnitt dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, und wobei sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker verringert als im ersten Abschnitt. Ferner umfasst das Verfahren ein Anordnen 2230 eines Metallmaterials an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Abschnitts, wobei das Metallmaterial mit dem zweiten Abschnitt einen für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung eingerichteten Schottky-Übergang bereitstellt.
  • Der Schritt 2220 kann ferner optional ein trockenchemisches und/oder ein nasschemisches Ätzverfahren umfassen. Als weiteres optionales Merkmal kann der Schritt 2220 ferner ein Anordnen eines Halbleitermaterials auf dem Substrat; und ein Ätzen des Halbleitermaterials mit einem trockenchemischen Ätzverfahren in zwei direkt aufeinanderfolgenden Prozessschritten unter Verwendung von zumindest zwei Parametrierungen umfassen. Dabei kann das Ätzen des Halbleitermaterials ein Ätzen des Halbleitermaterials in einem ersten Prozessschritt mit dem trockenchemischen Ätzverfahren mit einer ersten Parametrierung zur Erzeugung des ersten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung umfassen, und ein Ätzen des Halbleitermaterials in einem direkt darauffolgenden zweiten Prozessschritt mit dem trockenchemischen Ätzverfahren mit einer zweiten Parametrierung zur Erzeugung des zweiten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung. Dabei kann die erste und zweite Parametrierung des trockenchemischen Ätzverfahrens so gewählt sein, dass sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker verringert als im ersten Abschnitt.
  • Der bspw. große Vorteil von Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht bspw. in der Verwendung von Silizium als Halbleiter, da hierdurch die enormen ökonomischen Vorteile der Siliziumtechnologie genutzt werden können. Die erfindungsgemäße Lösung basiert nicht auf der sonst üblichen pin Diode (diese ist für Silizium ja im NIR weitgehend unempfindlich), sondern auf dem Prinzip der internen Fotoemission an einem Schottky-Übergang zwischen dem Silizium und einem Metallmaterial.
  • Schlussfolgerungen und weitere Anmerkungen
  • Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung aufgeführt und zuvor erläuterte Ausführungsbeispiele in anderen Worten zusammengefasst:
    1. 1. Diode zur Detektion elektromagnetischer Strahlung, umfassend oder bestehend aus
      • - einem Halbleitersubstrat
      • - mindestens einer konischen Struktur auf einer Vorderseite des Halbleitersubstrats
      • - einer elektrisch leitfähigen Schicht, die die konische Struktur zumindest teilweise bedeckt, wobei sich zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem Halbleitersubstrat in der konischen Struktur eine Schottky-Barriere ausbildet, und wobei bei einer Bestrahlung der konischen Struktur mit elektromagnetischer Strahlung elektrische Ladungsträger aus der elektrisch leitfähigen Schicht in die konische Struktur des Halbleitersubstrats emittiert werden und diese Ladungsträger als ein Fotostrom messbar sind.
    2. 2. Diode nach Ausführungsbeispiel1 mit
      • - einem außerhalb der konischen Struktur befindlichen ersten Kontakt zur elektrischen Kontaktierung des Halbleitersubstrats
      • - einen zweiten Kontakt zur elektrischen Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Schicht wobei der Fotostrom zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt gemessen wird.
    3. 3. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei die konische Struktur in einer Querschnittsfläche parallel zur Vorderseite des Halbleitersubstrats von einer endlichen Anzahl zusammenhängender Kurvenstücke berandet wird.
    4. 4. Diode nach Ausführungsbeispiel 3 wobei die zusammenhängenden Kurvenstücke einen Kreis oder eine Ellipse oder ein Vieleck bilden.
    5. 5. Diode nach Ausführungsbeispiel 3 und 4 wobei die konische Struktur in einer Querschnittsfläche senkrecht zur Vorderseite des Halbleitersubstrats von einer endlichen Anzahl zusammenhängender Kurvenstücke berandet wird.
    6. 6. Diode nach Ausführungsbeispiel 5 wobei eine Berandung der konischen Struktur aus 4 oder 5 Kurvenstücken besteht wodurch die konische Struktur in einen unteren Bereich und einen oberen Bereich geteilt wird, wobei der untere Bereich direkt an das Halbleitersubstrat angrenzt und ein Flankenwinkel zwischen einer Tangente des zugehörigen Kurvenstücks und einer Flächennormale der Vorderseite kleiner ist als ein Flankenwinkel zwischen einer Tangente des Kurvenstücks des oberen Bereichs und einer Flächennormale der Vorderseite.
    7. 7. Diode nach Ausführungsbeispiel 6 wobei der Flankenwinkel des Kurvenstücks für den unteren Bereich dem Betrage nach zwischen 1° und 25° liegt und der Flankenwinkel des Kurvenstücks für den oberen Bereich dem Betrage nach zwischen 5° und 90° liegt.
    8. 8. Diode nach Ausführungsbeispiel 6 und 7 wobei das Kurvenstück für den unteren Bereich der konischen Struktur eine Gerade ist und das Kurvenstück für den oberen Bereich ein Bogenstück ist.
    9. 9. Diode nach Ausführungsbeispiel 6 und 7 wobei das Kurvenstück für den unteren Bereich der konischen Struktur eine Gerade ist und das Kurvenstück für den oberen Bereich eine Gerade ist.
    10. 10. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei das Halbleitersubstrat aus Silizium oder Germanium oder einer Legierung aus Silizium und Germanium besteht.
    11. 11. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei die konische Struktur durch eine Strukturierung der Vorderseite des Halbleitersubstrats entsteht.
    12. 12. Diode nach einem der vorangehenden Ausführungsbeispiele wobei die konische Struktur eine n- oder p-Dotierung aufweist.
    13. 13. Diode nach Ausführungsbeispiel 12 wobei die Dotierung homogen oder graduell ausgeführt ist.
    14. 14. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei die elektrisch leitfähige Schicht, die die konische Struktur zumindest teilweise bedeckt, aus einem Metall oder einem Silizid oder einem Germanid oder einem metallischen Nitrid besteht.
    15. 15. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei die konische Struktur eine Höhe zwischen 0,5 µm und 25 µm aufweist.
    16. 16. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strahlung in der konischen Struktur gebündelt wird.
    17. 17. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei in einem Bereich der Spitze der konischen Struktur in der elektrisch leitfähigen Schicht plasmonische Effekte auftreten und eine Empfindlichkeit der Diode erhöhen.
    18. 18. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei die elektromagnetische Strahlung, die zu einer Emission von Ladungsträgern aus der elektrisch leitfähigen Schicht führt, in einem Wellenlängenbereich zwischen 1000 nm und 3000 nm liegt.
    19. 19. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen bestehend aus mehreren konischen Strukturen.
    20. 20. Diode nach Ausführungsbeispiel 19 wobei die konischen Strukturen in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind.
    21. 21. Diode nach Ausführungsbeispiel 20 wobei das Raster quadratisch, rechteckig oder hexagonal ist.
    22. 22. Diode nach einem der vorangehenden Ausführungsbeispiele wobei die Bestrahlung der konischen Struktur von einer Rückseite des Halbleitersubstrats aus erfolgt.
  • Alle hierin aufgeführten Aufzählungen der Materialien, Umwelteinflüsse, elektrischen Eigenschaften und optischen Eigenschaften sind hierbei als beispielhaft und nicht als abschließend anzusehen.
  • Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • [1]
    Casalino et.al., Opt. Express 20, 12599 (2012)
    [2]
    B. Desiatov et al., „Plasmonic enhanced silicon pyramids for internal photoemission Schottky detectors in the near-infrared regime“, Optica, Jg. 2, Nr. 4, S. 335, 2015, doi: 10.1364/OPTICA.2.000335.
    [3]
    US 5285098A
    [4]
    Sebastian R. Borrello, „STRUCTURE AND METHOD INTERNAL PHOTOEMISSION,“ US005285098 A. United States 877,433, Feb 8, 1994.
    [5]
     
    [5]
    B. Feng et al., „All-Si Photodetectors with a Resonant Cavity for Near-Infrared Polarimetric Detection“ (eng), Nanoscale research letters, Jg. 14, Nr. 1, S. 39, 2019, doi: 10.1186/s 11671-019-2868-3.
    [6]
    J. Duran und A. Sarangan, „Schottky-Barrier Photodiode Internal Quantum Efficiency Dependence on Nickel Silicide Film Thickness“, IEEE Photonics J., Jg. 11, Nr. 1, S. 1-15, 2019, doi: 10.1109/JPHOT.2018.2886556.
    [7]
    Edward P. Smith, Anne Itsuno, Justin Gordon Adams Wehner, „PHOTO-DETECTOR HAVING PLASMONIC RESONANCE AND PHOTON CRYSTAL THERMAL NOISE SUPPRESSION,“ US20150221796A1 . United States 14/174,172 , Aug 6, 2015.
    [8]
    Z. Wang, X. Wang und J. Liu, „Nanophotonic hot-electron devices for infrared light detection,“ WO 2019/018039 A2 . US PCT/ US2018/028688 , Jan 24, 2019.
    [9]
    H.-L. Chen, K.-T. Lin, Y.-S. Lai und C.-C. Yu, „Photodetector and method of fabricating the same,“ US 2015/0228837 A1 . TW 14/616,890 , Aug 13, 2015.
    [10]
    Z. Zhang, X. Han und K. He, „Perfect Absorber,“ WO 2018/176270 A1 . CN PCT/ CN2017/078603 , Okt 4, 2018.
    [11]
    JACEK GOSCINIAK, „WAVEGUIDE INTEGRATED PLASMONIC SCHOTTKY PHOTODETECTOR,“ US2020/0144437A1 . United States 161539,029, Mai 7, 2020.

Claims (30)

  1. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend: ein Substrat (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) mit einer Hauptseite, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist; und eine an der Hauptseite (112) des Substrats (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) angeordnete Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720), wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, und wobei die Strahlleiteinrichtung einen ersten und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei der erste Abschnitt (20, 122, 222, 322) dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) angeordnet ist, und wobei sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand (A) zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker verringert als im ersten Abschnitt; und ein Metallmaterial (25, 130, 230, 330, 430), wobei das Metallmaterial an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer dem Substrat (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) abgewandten Seite des zweiten Abschnitts (24, 124, 224, 324, 424), angeordnet ist, und wobei das Metallmaterial mit dem zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) einen für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung eingerichteten Schottky-Übergang (140) bereitstellt.
  2. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt (20, 122, 222, 322) der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) eine erste Seitenwandstruktur (70a, 70b, 221, 321) aufweist, welche ausgehend vom Substrat (1, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) mit einem ersten Neigungswinkel (α, γ) gegenüber einer Oberflächennormalen (N α, Nγ, 23, 72) der Hauptseite (112) geneigt ist, sodass sich der erste Abschnitt ausgehend vom Substrat verjüngt, um die vom Substrat empfangene elektromagnetische Strahlung zu fokussieren.
  3. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß Anspruch 2, wobei der zweite Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) eine zweite Seitenwandstruktur (71a, 71b, 223, 323) aufweist, die ausgehend vom ersten Abschnitt (20, 122, 222, 322) mit einem zweiten Neigungswinkel (β, δ) gegenüber einer Oberflächennormalen (Nβ, Nδ, 72) der Hauptseite (112) geneigt ist, und wobei der zweite Neigungswinkel größer ist als der erste Neigungswinkel, sodass sich der zweite Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) ausgehend vom ersten Abschnitt (20, 122, 222, 322) verjüngt.
  4. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß Anspruch 3, wobei der zweite Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) mittels einer eingestellten Neigung der zweiten Seitenwandstruktur (71a, 71b, 223, 323) dazu ausgebildet ist, um die vom Substrat (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) empfangene elektromagnetische Strahlung zu fokussieren.
  5. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei der erste Neigungswinkel (α, γ) zumindest 1° und höchstens 25° beträgt, oder wobei der erste Neigungswinkel weniger als 10° beträgt und/oder wobei der zweite Neigungswinkel (β, δ) zumindest 10° und höchstens 90° beträgt.
  6. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der erste Neigungswinkel (α, γ) ein Winkel zwischen einer Tangente (Sα) der ersten Seitenwandstruktur (70a, 70b, 221, 321) und der Oberflächennormalen (Nα, Nγ, 23, 72) am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) ist, und/oder wobei der zweite Neigungswinkel (β, δ) ein Winkel zwischen einer Tangente (Tβ) der zweiten Seitenwandstruktur (71a, 71b, 223, 323) und der Oberflächennormalen (Nβ, Nδ, 72) am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung ist; oder wobei der erste Neigungswinkel ein Winkel zwischen einer Sekante (Sγ) der ersten Seitenwandstruktur (70a, 70b, 221, 321) und der Oberflächennormalen ist, wobei die Sekante durch zwei vertikal, bezüglich der Hauptseite (112) des Substrats (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530), auf der ersten Seitenwandstruktur (70a, 70b, 221, 321) übereinanderliegende Punkte bestimmt ist, wobei ein erster (Pγ1) der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen der ersten Seitenwandstruktur (70a, 70b, 221, 321) und der Hauptseite des Substrats liegt und wobei ein zweiter (Pγ2) der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung liegt und/oder wobei der zweite Neigungswinkel ein Winkel zwischen einer Sekante (Sδ) der zweiten Seitenwandstruktur (71a, 71b, 223, 323) und der Oberflächennormalen ist, wobei die Sekante durch zwei vertikal, bezüglich der Hauptseite (112) des Substrats (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530), auf der zweiten Seitenwandstruktur übereinanderliegende Punkte bestimmt ist, wobei ein erster (Pδ1) der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung liegt und wobei ein zweiter (Pδ2) der beiden Punkte einen Punkt des zweiten Abschnitts (24, 124, 224, 324, 424) mit dem größten vertikalen Abstand zur Hauptseite des Substrats bildet.
  7. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der Schottky-Übergang (140) basierend auf der verwendeten Materialkombination für den Schottky-Übergang auf einen Wellenlängenbereich angepasst ist, und wobei eine auf die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) projizierte Breite (BA) einer Grenzfläche zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung zumindest das 0,2- fache einer Wellenlänge des Wellenlängenbereichs und höchstens das 15- fache einer Wellenlänge des Wellenlängenbereichs beträgt, wobei die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung eine Schnittfläche der Strahlleiteinrichtung mit dem Substrat (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) ist.
  8. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die erste und/oder die zweite Seitenwandstruktur gerade oder gekrümmt ausgebildet sind.
  9. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der zweite Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) an einer, dem Substrat (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) abgewandten, Seite eine Spitze oder eine abgeflachte Spitze (240, 340) aufweist, und wobei das Metallmaterial nur im Bereich dieser Spitze oder abgeflachten Spitze angeordnet ist.
  10. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß Anspruch 9, wobei der Schottky-Übergang (140) basierend auf der verwendeten Materialkombination für den Schottky-Übergang auf einen Wellenlängenbereich angepasst ist, und wobei der zweite Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) eine abgeflachte Spitze (240, 340) aufweist, und wobei ein abgeflachter Bereich der Spitze eine Breite (Bs) parallel zur Hauptseite (112) des Substrats (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) aufweist, welche kleiner als eine kleinste Wellenlänge des Wellenlängenbereichs ist oder welche der kleinsten Wellenlänge des Wellenlängenbereichs entspricht.
  11. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß Anspruch 10, wobei eine Geometrie der Spitze oder der abgeflachten Spitze (240, 340) der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) dazu ausgebildet ist, plasmonische Effekte in dem, im Bereich der Spitze aufgebrachten, Metallmaterial (25, 130, 230, 330, 430) hervorzurufen und/oder zu verstärken.
  12. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Substrat einen Schichtstapel umfasst; und/oder wobei das Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) Silizium, Germanium und/oder eine Materialverbindung umfassend Silizium und/oder Germanium umfasst.
  13. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Metallmaterial (25, 130, 230, 330, 430) einen Schichtstapel umfasst; und/oder wobei das Metallmaterial ein Metall, ein Silizid und/oder ein metallisches Nitrid umfasst.
  14. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Metallmaterial zumindest eines aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Gold, Titan, Nickelsilizid, Cobaltsilizid, Titansilizid und/oder Titannitrid umfasst.
  15. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) eine Dotierung aufweist, und wobei ein Dotiergrad der Dotierung hin zu dem Schottky-Übergang (140), konstant, gestuft oder graduell verändert ist.
  16. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) eine zumindest teilweise runde, elliptische oder vieleckige Grundfläche aufweist, wobei die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung die Schnittfläche der Strahlleiteinrichtung mit dem Substrat (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) bildet.
  17. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) eine Höhe, vertikal zur Hauptseite (112) des Substrats (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530), von zumindest 0,5 µm und höchstens 25 µm aufweist.
  18. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von zumindest 1000 nm und höchstens 3000 nm oder von zumindest 1000 nm und höchstens 1700 nm ausgebildet ist.
  19. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine erste und zweite elektrische Kontaktierung umfasst, und wobei die erste Kontaktierung (440) elektrisch leitfähig mit dem Metallmaterial (25, 130, 230, 330, 430) verbunden ist; und wobei die zweite Kontaktierung (460a, 460b) elektrisch leitfähig mit dem Halbleitermaterial verbunden ist; und wobei die erste und zweite Kontaktierung dazu ausgebildet sind, einen Fotostrom, basierend auf einer internen Photoemission durch an dem Schottky-Übergang (140) absorbierte elektromagnetische Strahlung, bereitzustellen.
  20. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß Anspruch 19, wobei die erste und zweite Kontaktierung an einander gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung angeordnet sind; oder wobei die erste und zweite Kontaktierung auf einer gleichen Seite der Vorrichtung angeordnet sind.
  21. System zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend eine Vielzahl von Vorrichtungen (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Vorrichtungen in einem Raster (1630, 1730) angeordnet sind, und wobei die Substrate (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) der Vielzahl von Vorrichtungen ein gemeinsames Substrat (1610, 1710) bilden.
  22. System gemäß Anspruch 21, wobei das System ein Bildsensor und/oder ein focal plane array (FPA) ist.
  23. System gemäß einem der Ansprüche 21 oder 22, wobei die Vielzahl von Vorrichtungen (100, 200, 300, 400a, 400b) in einem rechteckigen, quadratischen oder hexagonalen Raster angeordnet sind.
  24. System gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Metallmaterialien (25, 130, 230, 330, 430) der Vielzahl von Vorrichtungen (100, 200, 300, 400a, 400b) eine erste gemeinsame Kontaktierung aufweisen und/oder wobei das gemeinsame Substrat (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) eine zweite gemeinsame Kontaktierung aufweist.
  25. Verfahren (2100) zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend: Bestrahlen (2110) einer, einer Hauptseite (112) eines Substrats (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) gegenüberliegenden, Rückseite des Substrats mit der elektromagnetischen Strahlung, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, sodass die elektromagnetische Strahlung in eine auf der Hauptseite des Substrats angeordnete Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) eindringt, und wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, und wobei die Strahlleiteinrichtung einen ersten und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei der erste Abschnitt (20, 122, 222, 322) dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) angeordnet ist, und wobei sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) stärker verringert als im ersten Abschnitt (20, 122, 222, 322); und Transmittieren (2120) der elektromagnetischen Strahlung durch den ersten und zweiten Bereich der Strahlleiteinrichtung, oder Reflektieren (2120) der elektromagnetischen Strahlung an einer Seitenwandstruktur (70a, 70b, 71 a, 71b, 221, 223, 321, 323) des ersten und/oder zweiten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung; und Absorbieren (2130) der elektromagnetischen Strahlung in einem Schottky-Übergang (140), wobei der Schottky-Übergang von einem Metallmaterial zusammen mit dem zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) bereitgestellt wird, wobei das Metallmaterial (25, 130, 230, 330, 430) an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Abschnitts, angeordnet ist.
  26. Verfahren (2200) zur Herstellung einer Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend: Bereitstellen (2210) eines Substrats (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) mit einer Hauptseite, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist; und Anordnen (2220) einer Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) an der Hauptseite (112) des Substrats, wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, und wobei die Strahlleiteinrichtung einen ersten und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei der erste Abschnitt (20, 122, 222, 322) dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) angeordnet ist, und wobei sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) stärker verringert als im ersten Abschnitt (20, 122, 222, 322); und Anordnen (2230) eines Metallmaterials (25, 130, 230, 330, 430) an dem zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) der Strahlleiteinrichtung, an einer dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Abschnitts, wobei das Metallmaterial mit dem zweiten Abschnitt einen für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung eingerichteten Schottky-Übergang (140) bereitstellt.
  27. Verfahren gemäß Anspruch 26, wobei das Anordnen der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) ein trockenchemisches und/oder ein nasschemisches Ätzverfahren umfasst.
  28. Verfahren gemäß Anspruch 27, wobei das Anordnen der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) ferner umfasst: Anordnen eines Halbleitermaterials (530) auf dem Substrat (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530); und Ätzen des Halbleitermaterials mit einem trockenchemischen Ätzverfahren in zwei direkt aufeinanderfolgenden Prozessschritten unter Verwendung von zumindest zwei Parametrierungen, wobei das Ätzen des Halbleitermaterials ein Ätzen des Halbleitermaterials in einem ersten Prozessschritt mit dem trockenchemischen Ätzverfahren mit einer ersten Parametrierung zur Erzeugung des ersten Abschnitts (20, 122, 222, 322) der Strahlleiteinrichtung, und ein Ätzen des Halbleitermaterials in einem direkt darauffolgenden zweiten Prozessschritt mit dem trockenchemischen Ätzverfahren mit einer zweiten Parametrierung zur Erzeugung des zweiten Abschnitts (24, 124, 224, 324, 424) der Strahlleiteinrichtung umfasst, wobei die erste und zweite Parametrierung des trockenchemischen Ätzverfahrens so gewählt sind, dass sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite (112) des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) stärker verringert als im ersten Abschnitt (20, 122, 222, 322).
  29. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei das Verfahren ferner umfasst: Bereitstellen einer Trägerschicht (510); und Anordnen einer Isolatorschicht (520) auf der Trägerschicht; und Anordnen des Halbleitermaterials (530) auf der Isolatorschicht; und zumindest teilweises Entfernen der Trägerschicht nach dem Anordnen der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720).
  30. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei das Verfahren ferner umfasst: Anordnen einer Mehrzahl von Strahlleiteinrichtungen (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) an der Hauptseite (112) des Substrats (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530); und Anordnen des Metallmaterials (25, 130, 230, 330, 430) an den zweiten Abschnitten (24, 124, 224, 324, 424) der Strahlleiteinrichtungen, an einer dem Substrat abgewandten Seite der zweiten Abschnitte; wobei das Anordnen der Mehrzahl von Strahlleiteinrichtungen ein partielles Entfernen des Halbleitermaterials (530) in einem Bereich zwischen zumindest zwei benachbarten Strahlleiteinrichtungen umfasst; und Anordnen einer gemeinsamen Kontaktierung der zumindest zwei benachbarten Strahlleiteinrichtungen in dem Bereich (550) des partiell entfernten Halbleitermaterials.
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5285098A (en) 1992-04-30 1994-02-08 Texas Instruments Incorporated Structure and method internal photoemission detection
US20150221796A1 (en) 2014-02-06 2015-08-06 Raytheon Company Photo-detector having plasmonic resonance and photon crystal thermal noise suppression
US20150228837A1 (en) 2014-02-10 2015-08-13 National Taiwan University Photodetector and method of facricating the same
JP2017078603A (ja) 2015-10-19 2017-04-27 矢崎総業株式会社 車両表示装置用金属調装飾部品、及び、車両表示装置
US20180028688A1 (en) 2016-07-27 2018-02-01 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Immolative cell-penetrating complexes for nucleic acid delivery
WO2018176270A1 (zh) 2017-03-29 2018-10-04 香港中文大学（深圳） 完美吸收体
WO2019018039A2 (en) 2017-04-20 2019-01-24 The Trustees Of Dartmouth College HOT NANOPHOTONIC ELECTRON ELECTRON DEVICES FOR INFRARED LIGHT DETECTION
US20200144437A1 (en) 2018-08-13 2020-05-07 New York University Waveguide integrated plasmonic schottky photodetector
US20210156969A1 (en) 2017-05-14 2021-05-27 Trieye Ltd. System and method for short-wave-infra-red (swir) sensing and imaging

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US877433A (en) 1905-11-15 1908-01-21 Marcel Andre Jullien Lithographic printing.
US6147349A (en) * 1998-07-31 2000-11-14 Raytheon Company Method for fabricating a self-focusing detector pixel and an array fabricated in accordance with the method
CN105393106B (zh) 2013-04-06 2020-02-21 罗姆有限责任公司 用于测量样品的散射的设备

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5285098A (en) 1992-04-30 1994-02-08 Texas Instruments Incorporated Structure and method internal photoemission detection
US20150221796A1 (en) 2014-02-06 2015-08-06 Raytheon Company Photo-detector having plasmonic resonance and photon crystal thermal noise suppression
US20150228837A1 (en) 2014-02-10 2015-08-13 National Taiwan University Photodetector and method of facricating the same
JP2017078603A (ja) 2015-10-19 2017-04-27 矢崎総業株式会社 車両表示装置用金属調装飾部品、及び、車両表示装置
US20180028688A1 (en) 2016-07-27 2018-02-01 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Immolative cell-penetrating complexes for nucleic acid delivery
WO2018176270A1 (zh) 2017-03-29 2018-10-04 香港中文大学（深圳） 完美吸收体
WO2019018039A2 (en) 2017-04-20 2019-01-24 The Trustees Of Dartmouth College HOT NANOPHOTONIC ELECTRON ELECTRON DEVICES FOR INFRARED LIGHT DETECTION
US20210156969A1 (en) 2017-05-14 2021-05-27 Trieye Ltd. System and method for short-wave-infra-red (swir) sensing and imaging
US20200144437A1 (en) 2018-08-13 2020-05-07 New York University Waveguide integrated plasmonic schottky photodetector

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