DE10318667B4

DE10318667B4 - Optoelektronisches Bauteil mit einem Teildurchlässigen Spiegel und Verfahren zu seinem Betrieb

Info

Publication number: DE10318667B4
Application number: DE10318667A
Authority: DE
Inventors: Horst Theuss
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2023-04-25
Also published as: DE10318667A1; US20040223243A1; US7012751B2

Abstract

Optoelektronisches Bauteil (25, 40), das folgende Merkmale aufweist:
– ein Halbleiterchip (27) mit einem Sensorbereich (29), der einen PN-Übergang (30) und eine Sensorfläche (26) aufweist,
– eine Ringelektrode (28), die die Sensorfläche (26) begrenzt,
– Kontaktflächen im Randbereich (31) des Sensorbereichs (29) und außerhalb (33) des Sensorbereichs (29),
– ein Gehäuse (36), das den Halbleiterchip umgibt und das die Sensorfläche (26) frei lässt, und
– ein teildurchlässiger Spiegel (1), der eine Schicht (4) mit einem Phasenwechselmedium aufweist und der auf der Sensorfläche (26) des Halbleiterchips (27) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen teildurchlässigen Spiegel und optische Geräte mit einem derartigen Spiegel, Verfahren zum Herstellen und Betreiben eines derartigen Spiegels sowie ein optoelektronisches Bauteil mit einem teildurchlässigen Spiegel und ein Verfahren zu seinem Betrieb.
Für einen teildurchlässigen Spiegel wird ein transparentes Substrat mit dünnen Schichten belegt. Mit der Dicke der Schichten wird während der Herstellung ein vorbestimmtes Verhältnis von Reflektivität und Transparenz des teildurchlässigen Spiegels eingestellt. Der Nachteil derartiger teildurchlässiger Spiegel ist, dass dieses Verhältnis von Reflektivität und Transparenz nur dadurch geändert werden kann, dass zusätzliche Schichten auf dem Substrat abgeschieden werden oder Schichtdicken durch Ätzen abgetragen werden. Beides erfordert einen hohen Aufwand an Anlagen, Material und Verfahrenszeit. Korrekturen an dem Verhältnis von Reflektivität und Transparenz eines teildurchlässigen Spiegels setzen außerdem voraus, dass der teildurchlässige Spiegel aus einem optischen Gerät ausgebaut und den Aufdampf- oder Ätzanlagen zugeführt wird und anschließend aufwendig wieder in das Gerät eingebaut wird.
Aus der JP 04-115 214 A ist ein Lichtventil-Element bekannt, das eine Phasenwechselschicht und zwei auf den beiden Seiten der Phasenwechselschicht angeordnete Schutzschichten aus einem Dielektrikum aufweist.
Aus der US 6 078 558 A ist ein optisches Aufzeichnungsmedium mit einer ersten und einer zweiten Aufzeichnungsebene bekannt, wobei die erste Auszeichnungsebene eine auf einem transparenten Substrat angeordnete Schichtfolge aus einem ersten Dielektrikum, einer Phasenwechselschicht und einem zweiten Dielektrikum aufweist.
Aus der DE 195 28 094 C2 ist ein IR-Modulator, der zwischen einem IR-Strahlung transmittierenden und einem IR-Strahlung reflektierenden Zustand bin- und herschaltbar ist, mit einer für Infrarotstrahlung transparenten Schicht mit geringer Wärmeleitfähigkeit, auf der eine thermorefraktive Schicht angeordnet ist, die durch Temperaturänderung zwischen einem IR-Strahlung reflektierenden und einem IR-Strahlung transmittierenden Zustand hin- und herschaltbar ist, und mit einer Strahlungsquelle, die Strahlung eines Wellenlängenbereichs aussendet, der in der thermorefraktiven Schicht absorbiet wird, womit eine Temperaturerhöhung der thermorefraktiven Schicht bewirkt wird, bekannt.
Aus der US 5 214 276 A ist eine Photodiode mit einem Sensorbereich, der einen PN-Übergang und eine Sensorfläche aufweist, sowie einer Ringelektrode, die die Sensorfläche begrenzt, bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauteil mit einem teildurchlässigen Spiegel und ein Verfahren zu seinem Betrieb anzugeben, bei dem das Verhältnis von Reflektivität und Transparenz ohne hohe anlagen- oder materialbedingte Kosten geändert werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Der erfindungsgemäße teildurchlässige Spiegel weist ein transparentes Substrat auf. Auf diesem Substrat ist eine erste Schutzschicht angeordnet und auf dieser ersten Schutzschicht ist eine Schicht, die ein Phasenwechselmedium aufweist, aufgebracht. Eine zweite Schutzschicht deckt das Phasenwechselmedium ab und schützt es vor Umwelteinflüssen.
Ein derartiger teildurchlässiger Spiegel hat den Vorteil, dass zur Änderung des Verhältnisses von Reflektivität und Transparenz der Phasenwechseleffekt des Phasenwechselmediums genutzt wird. Dabei kann durch Einstrahlung gepulsten Laserlichts das optische Verhalten der Schicht aus dem Phasenwechselmedium geändert und angepasst werden. Ein weiterer Vorteil dieses teildurchlässigen Spiegels ist, dass zur Anpassung und Änderung des Verhältnisses von Reflektivität und Transparenz in seinem optischen Gerät verbleiben kann und unter Umständen die Einstellung des Verhältnisses von Reflektivität und Transparenz mit derselben Laserlichtquelle durchgeführt werden kann, die in dem optischen Gerät bereits vorhanden ist.
Ein weiterer Vorteil eines derartigen teildurchlässigen Spiegels mit einer Schicht aus einem Phasenwechselmedium liegt darin, dass ein derart modifizierbarer Spiegel auch ein- und ausgeschaltet werden kann, beispielsweise von nahezu 90% Transmission auf nahezu 10% Transmission. Darüber hinaus kann die Einstellung des Verhältnisses von Reflektivität und Transparenz nahezu stufenlos von nahezu 90% Reflektivität auf nahezu 90% Transmission eingestellt werden. Schließlich können in optoelektronischen Bauteilen nachträgliche Feinein stellungen der Intensitäten unterschiedlicher optischer Pfade sowie ein Trimmen und Justieren optischer Gehäuse erreicht werden, ohne mechanische Stellglieder oder Aktoren vorsehen zu müssen.
Somit können räumlich relativ kompakte Geräte mit einem erfindungsgemäßen teildurchlässigen Spiegel verwirklicht werden. Bevorzugte Anwendungen des teildurchlässigen Spiegels sind generell optische Aufbauten mit Strahlteilern. Der erfindungsgemäße teildurchlässige Spiegel lässt sich vorteilhaft in der optischen Messtechnik und Sensorik einsetzen. Ein weites Anwendungsfeld liegt in der Holographie und/oder der Interferometrie, beispielsweise in einem Fourier-Interferometer. Die nachträgliche Trimmung optischer Aufbauten lässt sich mit dem teildurchlässigen Spiegel der Erfindung problemlos durchführen. Auch ermöglicht der teildurchlässige Spiegel eine vorübergehende Abzweigung von Licht aus einem optischen Pfad, beispielsweise für Testzwecke.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Phasenwechselmedium ein Halbleitermaterial ist, das abhängig von einer thermischen Behandlung ein amorphes und/oder kristallines Gefüge aufweist. Der Phasenwechseleffekt zwischen amorphem und kristallinem Gefüge ist bei Halbleitermaterialien besonders ausgeprägt. So sind bei IV-IV Halbleitern, wie Silizium oder Germanium, großflächige sowohl amorphe, als auch kristalline Schichten möglich. Der Phasenwechseleffekt erfordert jedoch bei reinen IV-IV Halbleitern, wie Germanium und Silizium, eine hohe thermische Energie, um ausgelöst zu werden. Auch binäre III-V-Halbleiter, wie Galliumarsenid, Indiumphosphid und Galliumphosphid zeigen den Phasenwechseleffekt, jedoch besteht bei thermischer Behandlung die Gefahr, dass sich das III-V-Halbleitermaterial aufgrund der leicht flüchtigen Komponenten Gallium und Indium zersetzt. Besonders ausgeprägt ist hingegen der Phasenwechseleffekt bei ternären Halbleitern, wie IV-V-VI-Halbleitern. Auch quaternäre Legierungen, wie Silber-Indiumantimontellurit zeigen einen Phasenwechseleffekt.
Vorzugsweise wird für den teildurchlässigen Spiegel ein Phasenwechselmedium eingesetzt, das Germaniumantimontellurit aufweist, wobei dieses Material bei relativ geringer Energieeinstrahlung einen Phasenwechsel von amorph zu kristallin und umgekehrt ermöglicht. Durch Einstrahlung von Licht in Form von Laserpulsen geeigneter Leistung, Wellenlänge und sehr kurzer Zeitdauer im Bereich von Nanosekunden wird kristallines Material des ternären Halbleiters aus Germaniumantimontellurit kurzzeitig bis über den Schmelzpunkt aufgeheizt. Durch die benachbarten Schutzschichten wird die Schicht aus Phasenwechselmedium einer raschen Wärmeabfuhr unterworfen, so dass dieser Abschreckvorgang zu einer Amorphisierung des kristallinen Materials führt. Bei der resultierenden raschen Abkühlung hat das Material keine Chance zu kristallisieren und erstarrt im amorphen Zustand der Schmelze.
Umgekehrt kann dieser amorphe Zustand rückgängig gemacht werden, indem das Material kurzzeitig bis zum Erreichen einer Rekristallisationstemperatur mit Hilfe von Einstrahlung von Energie aufgeheizt wird. Gleichzeitig wird durch einen längere Impulsdauer dafür gesorgt, dass das Material durch die langsamer einsetzende Abkühlung kristallisiert und damit in den Ausgangszustand zurückkehrt. Um die erforderliche einzustrahlende Energie gering zu halten, weist die Schicht aus Phasenwechselmedium eine geringe Dicke zwischen 15 und 50 nm, vorzugsweise zwischen 20 und 30 nm auf.
Die erste Schutzschicht sorgt dafür, dass bei dem kurzzeitigen Aufschmelzvorgang das Phasenwechselmedium nicht mit dem Substratmaterial reagiert. Die zweite Schutzschicht unterstützt die schnelle Wärmeabfuhr und sorgt dafür, dass das geschmolzene Phasenwechselmedium nicht mit der Umgebung reagiert. Dabei weisen die Schutzschichten eine Dicke zwischen 50 und 200 nm auf. Die Wärmeabfuhr kann durch eine dritte Schicht in Form einer Abdeckschicht, die gleichzeitig als Wärmesenke fungiert, zusätzlich unterstützt werden. Eine derartige Abdeckschicht weist Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung auf und ist in einer Dicke von 50 bis 120 nm, vorzugsweise 70 bis 100 nm auf der zweiten Schutzschicht angeordnet.
Die erste und die zweite Schutzschicht können eine Mischung aus Zinksulfit und Siliciumdioxid aufweisen, wobei das Siliciumdioxid die Transparenz gewährleistet, die derartige Schutzschichten aufweisen und das Zinksulfit der Wärmeaufnahme dient.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, eine zusätzliche Energiequelle zur Einstellung des Verhältnisses von Reflektivität und Transmission des teildurchlässigen Spiegels vorzusehen. Dieses ist besonders dann vorteilhaft, wenn der teildurchlässige Spiegel für Mess- oder Signalstrahlen vorgesehen ist und die Energiequelle des Messgerätes nicht ausreicht, um die Schmelzenergie in Nanosekunden zur Einstellung des Verhältnisses von Transmission und Reflektivität bereitzustellen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines teildurchlässigen Spiegels weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein transparentes Substrat bereitgestellt. Auf eine O berfläche des Substrats wird eine erste Schutzschicht aufgebracht. Anschließend wird auf dieser Schicht eine Schicht aus einem Phasenwechselmedium abgeschieden. Schließlich wird dann eine zweite Schutzschicht auf das Phasenwechselmedium aufgebracht und abschließend kann eine Abdeckschicht auf die zweite Schutzschicht aufgebracht werden. Das transparente Substrat kann eine mindestens einseitig polierte Glasplatte, Quarzplatte oder Saphirplatte sein. Die erste Schutzschicht wird dann auf die polierte Oberseite in einer Dicke zwischen 50 und 200 nm aufgebracht und besteht beispielsweise aus einem Gemisch aus Zinksulfit und Siliciumdioxid.
Eine derartige Schicht kann mittels Sputtertechnik aufgebracht werden, bei der ein Zinksulfitsiliciumdioxid-Target zerstäubt wird und sich dieses Material auf der polierten Oberseite des transparenten Substrats gleichmäßig abscheidet. Die Schicht des Phasenwechselmedium ist demgegenüber mit 15 bis 50 nm wesentlich dünner und kann ebenfalls mit Hilfe der Sputtertechnik aufgetragen werden. Dazu wird ein Target aus Ge₂Sb₂Te₅ zerstäubt und das zerstäubte Material scheidet sich auf der bereits hergestellten ersten Schutzschicht ab.
Das Phasenwechselmedium zeichnet sich dadurch aus, dass es abhängig von einer thermischen Behandlung sowohl amorph als auch kristallin vorliegen kann und stufenlos alle Zwischenzustände zwischen amorph und kristallin aufweisen kann. Da kristallines Material eine niedrige Transparenz und eine hohe Reflektivität in einem vorgegebenen Lichtwellenbereich aufweist, kann das Verhältnis zwischen Reflektivität und Transparenz stufenlos eingestellt werden. Um den amorphen Zustand zu erreichen, wird das Phasenwechselmedium über seinen Schmelzpunkt hinaus kurzzeitig, das heißt für wenige Nanosekunden erwärmt und mit hoher Geschwindigkeit abgekühlt. Diese schnelle Abkühlrate wird einerseits durch die minimale Dicke der Schicht zwischen 15 und 50 nm gewährleistet und andererseits durch Wärmeabgabe an die erste und die zweite Schutzschicht.
Darüber hinaus kann die Wärmeabfuhr beschleunigt werden, indem auf die zweite Schutzschicht eine Abdeckschicht aus Aluminium von 50 bis 120 nm vorzugsweise von 70 bis 100 nm aufgebracht wird, die als Wärmesenke dient. Zur Rekristallisation des Phasenwechselmaterials wird dieses lediglich bis zu einer Rekristallisationstemperatur unterhalb des Schmelzpunktes erwärmt, aber auf dieser Rekristallisationstemperatur länger gehalten. Dieses kann dadurch erreicht werden, dass der Heizfleck eines Laserstrahls aufgeweitet wird.
Die zweite Schutzschicht kann das gleiche Material wie die erste Schutzschicht aufweisen und dient zusätzlich zur Wärmeabfuhr dazu, dass beim Aufschmelzen des Phasenwechselmediums weder eine chemische Reaktion mit dem Substratmaterial noch eine chemische Reaktion mit der Umgebung oder mit der Abdeckschicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung erfolgt. Die Schutzschichten sorgen somit vorteilhaft dafür, dass sich die chemische Zusammensetzung der Schicht aus einem Phasenwechselmedium nicht verändert, so dass eine Einstellung, Nachjustierung oder Trimmung des Verhältnisses zwischen Reflektivität und Transmission des teildurchlässigen Spiegels nahezu unbegrenzt möglich ist.
Neben plattenförmigen Substraten können auch Endstücke von Glasfasern mit einer derartigen Schichtfolge beschichtet werden, um mehrere Glasfaserpfade in ihrer Lichtintensität aufeinander abzustimmen. Darüber hinaus können optische Komponenten innerhalb eines Gehäuses eines optischen Aufbaus mit einer derartigen Schichtfolge versehen sein, um optische Pfade anzupassen oder zu trimmen. Dabei ist die mögliche Änderung der Absorption der Schicht aus Phasenwechselmaterial gering, zumal einerseits die Schicht selbst mit 15 bis 50 nm äußerst dünn ist und zum anderen angenommen werden kann, dass die Wahrscheinlichkeit, dass sich durch Lichteinstrahlung angeregte Phononen in einem amorphen Material bilden, sogar geringer ist als die Bildung von Phononen in einem kristallinen Material, so dass vorausgesetzt werden kann, dass sich die Absorption des Phasenwechselmediums beim Wechsel zwischen amorphem und kristallinem Zustand nur unwesentlich ändert.
Diese Annahme ist bei den geringen Schichtdicken aus folgenden Gründen gerechtfertigt, da die Absorption in einem Festkörper die Anregung gedämpfter schwingungsfähiger Systeme durch einfallende elektromagnetische Wellen bedeutet. Bei der für den teildurchlässigen Spiegel vorgenommenen Amorphisierung wird das Absorptionsspektrum solcher anregbarer Schwingungen einerseits verbreitert, da die Periodizität des Gitters gestört ist und lediglich eine Nahordnung übrig bleibt. Andererseits wird die Zerstörung der Periodizität des kristallinen Gitters dazu führen, dass kaum noch anregbare Gitterschwingungen übrig bleiben, so dass angenommen werden kann, dass die Absorption mit zunehmender Amorphisierung kleiner wird und damit den Effekt der erhöhten Transparenz noch verstärkt.
Aus der durch Amorphisierung sich bildenden reduzierten Reflektivität wird die geringe Abnahme der Absorption zu einer entsprechend geringfügigen Erhöhung der Transmission führen. Mit der Amorphisierung des Phasenwechselmediums ist eine Änderung in der Transmission von bis zu 90% erreichbar, wobei die Transmission hoch ist im amorphen Zustand des Phasenwech selmediums und gering ist, wenn das Phasenwechselmedium durchkristallisiert ist.
Ein Verfahren zum Betreiben eines teildurchlässigen Spiegels weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird für ein Gerät ein teildurchlässiger Spiegel vorgesehen. Dieser teildurchlässige Spiegel wird während des Betriebs mit gepulsten Energiepaketen, beispielsweise einer Laserlichtquelle beaufschlagt, um das Verhältnis zwischen Reflektivität und Transparenz einzustellen. Nach der Beaufschlagung des Spiegels mit den gepulten Energiepaketen hat sich die Aufteilung eines Mess- oder Signalstrahls an dem teildurchlässigen Spiegel aufgrund des neu eingestellten Verhältnisses zwischen Reflektivität und Transparenz geändert.
Das Beaufschlagen des Spiegels mit gepulsten Energiepaketen kann einerseits durch die Energiequelle des Mess- oder Signalstrahls erfolgen oder unabhängig davon durch eine zweite Energiequelle, deren fokussierter Strahl die gesamte Fläche des teildurchlässigen Spiegels abtastet. Eine separate zweite Energiequelle für die Einstellung des Verhältnisses von Reflektivität und Transparenz hat den Vorteil, dass eine sehr präzise Anpassung und Trimmung des teildurchlässigen Spiegels möglich wird. Eine derartige zweite Energiequelle ist immer dann auch erforderlich, wenn die Energiequelle des Mess- oder Signalstrahls nicht ausreicht, um punktuell den Schmelzzustand des Phasenwechselmediums für wenige Nanosekunden herzustellen.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass verschiedenste optische Anwendungen, wie Sensorik, Interferometrie, Holographie, teildurchlässige Spiegel zur Strahlteilung nutzen. Ein Spiegel, dessen Transmission in weiten Grenzen von außen durch Einstrahlen von Infrarot-Laserlicht variiert werden kann, erweitert die Möglichkeiten für solche optischen Aufbauten beträchtlich.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Spiegel offenbart, dessen Reflektivität und Transmission durch Einstrahlung von Licht reversibel variiert werden kann. Dazu wird das Prinzip des Phasenwechseleffektes eingesetzt. Dazu werden Phasenwechselmedien durch ein Schichtsystem realisiert. Durch Einstrahlung von Licht in Form von Laserimpulsen geeigneter Leistung, Wellenlänge und sehr kurzer Zeitdauer kann kristallines Material kurzzeitig innerhalb von Nanosekunden bis über den Schmelzpunkt aufgeheizt werden. Die benachbarten Schichten des Phasenwechselmediums sorgen für eine rasche Wärmeabfuhr und somit für einen Abschreckvorgang. Bei der resultierenden raschen Abkühlung hat das Material keine Möglichkeit mehr zu kristallisieren, sondern bildet einen amorphen Zustand.
Die vorliegende Erfindung benutzt das unterschiedliche Transmissionsverhalten im amorphen und kristallinen Zustand aus. Der amorphe Zustand kann rückgängig gemacht werden durch ein erneutes Einstrahlen von Laserlicht bei niedrigerer Intensität und längerer Pulsdauer. Dabei wird wieder das Material erhitzt, jedoch nur auf eine Rekristallisationstemperatur. Bei der dabei langsamer einsetzenden Abkühlung rekristallisiert das Material und der Ausgangszustand von hoher Reflektivität und geringer Transparenz ist wieder hergestellt.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung der Wirkungsweise des teildurchlässigen Spiegels der Erfindung,
2 zeigt eine Prinzipskizze eines Interferometers mit einem teildurchlässigen Spiegel der Erfindung,
3 zeigt ein optoelektronisches Bauteil in Flip-Chip-Technik mit einem teildurchlässigen Spiegel, der auf einer Sensorfläche eines Halbleiterchips angeordnet ist,
4 zeigt ein optoelektronisches Bauteil in Bondtechnik mit einem teildurchlässigen Spiegel, der auf einer Sensorfläche eines Halbleiterchips angeordnet ist.
1 zeigt eine schematische Darstellung der Wirkungsweise des teildurchlässigen Spiegels 1 der Erfindung. Der teildurchlässige Spiegel 1 weist in dieser Ausführungsform ein Substrat 2 aus Glas auf, das für die Wellenlänge eines einfallenden Mess- oder Signalstrahls 8 transparent ist. Auf dem Substrat 2 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung eine Schichtfolge aufgetragen mit einer ersten Schutzschicht 3, die auf einer polierten Oberseite 9 des Substrats 2 angeordnet ist. Diese erste Schutzschicht 3 weist eine Dicke zwischen 50 und 200 nm auf und setzt sich aus einer Mischung aus Zinksulfit und Siliciumdioxid zusammen.
Auf dieser ersten Schutzschicht 3 ist eine Schicht 4 mit einem Phasenwechselmedium in einer Dicke zwischen 15 und 50 nm aufgebracht. Diese Schicht 4 kann in amorpher oder kristalliner Phase vorliegen und stufenlos jeden Zwischenzustand einnehmen. Auf der Schicht 4 mit einem Phasenwechselmedium ist eine zweite Schutzschicht 5 aufgebracht, die in dieser Ausführungsform die gleiche Zusammensetzung und die gleiche Dicke aufweist wie die erste Schutzschicht 3.
Als Abschluss dieser Schichtfolge ist eine Abdeckschicht 7 auf der zweiten Schutzschicht 5 angeordnet. Die Abdeckschicht 7 weist Aluminium oder eine Aluminiumlegierung in einer Dicke zwischen 50 und 100 nm auf. Die Abdeckschicht 7 aus Aluminium fördert aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit ein schnelles Abkühlen des Phasenwechselmediums während einer Amorphisierungsphase. Zur Einstellung des Amorphisierungsgrades und damit zur Einstellung des Verhältnisses zwischen Reflektivität und Transparenz des teildurchlässigen Spiegels 1 kann entweder der Mess- oder Signalstrahl 8 eingesetzt werden, wenn er eine geeignete Leistung und Wellenlänge aufweist und über die Gesamtfläche des teildurchlässigen Spiegels 1 unter gleichzeitiger Abgabe von kurzen Lichtimpulsen im Nanosekundenbereich gescannt wird.
Wenn die Strahlungsquelle des Mess- oder Signalstrahls 8 für die Einstellung des Amorphisierungsgrades nicht geeignet ist, wird eine zweite Energiequelle eingesetzt, die für die Einstellung des Amorphisierungsgrades und damit für die Einstellung des Verhältnisses zwischen Reflektivität und Transparenz vorgesehen ist. Nach Abschluss der Einstellung des Verhältnisses zwischen Reflektivität und Transparenz auf der gesamten Spiegelfläche, kann der teildurchlässige Spiegel 1 als Strahlteiler eingesetzt werden, wie es der Mess- oder Signalstrahl 8 in 1 zeigt.
Der Mess- oder Signalstrahl 8 wird an der Schicht 4 des Phasenwechselmediums in einen reflektierten Teilstrahl 10 und in einen transmittierten Teilstrahl 11 geteilt. Der reflektierte Teilstrahl 10 wird unter dem Ausfallswinkel β abgestrahlt, der gleich dem Einfallswinkel α ist. Der Abstrahlungswinkel γ, mit dem der transmittierte Teilstrahl 11 den teildurchläs sigen Spiegel 1 verlässt, entspricht ebenfalls dem Winkel α. Die Darstellung der Strahlteilung ist in 1 stark vereinfacht, da die Brechungsvorgänge an den einzelnen Schichtübergängen und dem Übergang von der Umgebung auf die Abdeckschicht 7 sowie der Übergang von dem Substrat 2 zu der Umgebung bei der Darstellung der Strahlungsteilung des Mess- oder Signalstrahls 8 vernachlässigt sind.
2 zeigt eine Prinzipskizze eines Interferometers 12 mit einem teildurchlässigen Spiegel 1 der Erfindung. Das Interferometer 12 weist in dieser Ausführungsform zwei Energiequellen 6 und 13 auf. Die Energiequelle 13 kann ein Lasergerät sein, das einen Mess- oder Signalstrahl 8 auf den teildurchlässigen Spiegel 1 richtet. Der teildurchlässige Spiegel 1 weist ein transparentes Substrat 2 sowie die Schutzschichten 3 und 5 auf, zwischen denen die Schicht 4 des Phasenwechselmediums angeordnet ist. Eine Abdeckschicht 7 dient der Erhöhung der Wärmeableitung beim Einstellvorgang des Verhältnisses von Reflektivität und Transparenz des teildurchlässigen Spiegels 1. Die zweite Energiequelle 6 ist eine Laserlichtquelle, die kurze Laserlichtimpulse im Nanosekundenbereich geeigneter Leistung und geeigneter Wellenlänge zum Einstellen des Verhältnisses zwischen Reflektivität und Transparenz des Phasenwechselmediums der Schicht 4 abgibt.
Mit einem optischen Ablenksystem 18 wird der Laserstrahl 19 der zusätzlichen zweiten Energiequelle 6 abgelenkt und über die gesamte Fläche des teildurchlässigen Spiegels 1 zur Einstellung des Verhältnisses zwischen Reflektivität und Transparenz geführt. Der teildurchlässige Spiegel 1 ist in einem Winkel α von 45° zu dem Mess- oder Signalstrahl 8 ausgerichtet.
Neben dem teildurchlässigen Spiegel 1 weist das Interferometer 12 zwei Planspiegel 14 und 15 auf, wobei der erste Planspiegel 14 den transmittierten Teilstrahl 11 des Mess- oder Signalstrahls 8 reflektiert und der Planspiegel 15 den reflektierten Teilstrahl 10 des Mess- oder Signalstrahls 8 reflektiert. Die reflektierten Strahlen 20 und 21 überlagern sich und bilden Referenzstrahlen 23 und 24 aus, die von einem Hohlspiegel 16 auf eine Messfläche 17 im Bereich des Fokus des Hohlspiegels 16 reflektiert werden, um die Interferenzerscheinungen abzubilden und zu messen.
Das Interferometer 12 unterscheidet sich von einem Michelson-Interferometer darin, dass der teildurchlässige Spiegel 1 in bezug auf seine Reflektivität und Transparenz einstellbar ist und dass eine zweite Energiequelle 6 mit Ablenkeinrichtung 18 zur Einstellung des Verhältnisses zwischen Reflektivität und Transparenz vorgesehen ist. Die Wellenlänge des Laserstrahls 19 der Energiequelle 6 ist auf das Phasenwechselmedium der Schicht 4 des teildurchlässigen Spiegels 1 mit 650 nm abgestimmt. Außerdem ist die Leistung der Laserimpulse der Energiequelle 6 an die Anforderungen des Phasenwechselmediums der Schicht 4 angepasst. Somit kann durch die Energiequelle 6 die Durchlässigkeit des teildurchlässigen Spiegels 1 manipuliert werden, wodurch die Lichtintensität kontrolliert und reversibel auf die Teilstrahlen 10 und 11 verteilt werden kann. Um den Gangunterschied zwischen den Teilstrahlen 10 und 11 einzustellen ist einer der beiden Planspiegel 14 oder 15 verschieblich angeordnet. Beim Verschieben einer der Planspiegel 14 oder 15 wandert das Interferenzbild auf der Messfläche 17 entsprechend.
3 zeigt ein optoelektronisches Bauteil 25 in Flip-Chip-Technik mit einem teildurchlässigen Spiegel 1, der auf einer Sensorfläche 26 eines Halbleiterchips 27 angeordnet ist. Die Sensorfläche 26 des Halbleiterchips 27 ist kreisförmig und wird von einer Ringelektrode 28 begrenzt, zwischen welcher der teildurchlässige Spiegel 1 angeordnet ist. Die Sensorfläche 26 gehört zu einem Sensorbereich 29 des Halbleiterchips 27 mit einem PN-Übergang 30. Im Randbereich des Sensorbereichs 29 sind Kontaktflächen 31 angeordnet, die Flip-Chip-Kontakte 32 tragen.
Außerhalb des Sensorbereichs 29 sind weitere Kontaktflächen 33 auf der Oberseite des Halbleiterchips 27 mit entsprechenden Flip-Chip-Kontakten angeordnet. Somit kann ein Mess-Signal zwischen den Flip-Chip-Kontakten 32 und 34 abgegriffen werden, das dem transmittierten Teilstrahl 11 entspricht. Der Halbleiterchip ist von einer Kunststoffmasse 35 umgeben, die gleichzeitig das Gehäuse des optoelektronischen Bauteils 25 bildet. Die Mess-Spannung kann bei der Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils 25 auf der gleichen Seite des Gehäuses 36 zwischen den Flip-Chip-Kontakten 32 und 34 abgegriffen werden, auf welcher der teildurchlässige Spiegel 1 angeordnet ist.
4 zeigt ein optoelektronisches Bauteil 40 in Bondtechnik mit einem teildurchlässigen Spiegel 1, der auf einer Sensorfläche 26 eines Halbleiterchips 27 angeordnet ist. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 3 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Auch dieses optoelektronische Bauteil 40 weist ein Gehäuse 36 aus einer Kunststoffmasse 35 auf. Der in die Kunststoffmasse eingebettete Halbleiterchip 27 weist einen Sensorbereich 29 mit einer Sensorfläche 26 und einer Kontaktfläche 31 auf. Die Sensorfläche 26 ist kreisförmig und wird von einer kreisförmigen Ringelektrode 28 begrenzt, in welcher der teildurchlässige Spiegel 1 angeordnet ist. Außerhalb des Sensorbereichs 29 des Halbleiterchips 27 ist mindestens eine weitere Kontaktfläche 33 vorgesehen, so dass zwischen den Kontaktflächen 33 und 31 eine Photospannung auftritt, die von dem transmittierten Teilstrahl 11 des Mess- oder Signalstrahls 8 ausgelöst wird.
Im Unterschied zu der Ausführungsform nach 3 wird bei diesem optoelektronischen Bauteil 40 das Mess-Signal über Bonddrähte 39 von den Kontaktflächen 31 und 33 zu Außenkontaktflächen 37 beziehungsweise 38 geführt, die auf der dem teildurchlässigen Spiegel 1 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 36 angeordnet sind. Durch Variation des Verhältnisses zwischen Reflektivität und Transparenz des teildurchlässigen Spiegels 1 kann ein derartiges optoelektronisches Bauteil 40 als optoelektronischer Schalter eingesetzt werden, indem das Verhältnis von Reflektivität und Transparenz durch Einstrahlung von Energiepaketen von kristallin zu amorph und umgekehrt variiert wird.

1: teildurchlässiger Spiegel
2: transparentes Substrat
3: erste Schutzschicht
4: Schicht mit einem Phasenwechselmedium
5: zweite Schutzschicht
6: Energiequelle zur Einstellung der Transmission
7: Abdeckschicht
8: Mess- oder Signalstrahl
9: polierte Oberseite des Substrats
10: reflektierter Teilstrahl
11: transmittierter Teilstrahl
12: Interferrometer
13: zweite Energiequelle
14: Planspiegel
15: Planspiegel
16: Hohlspiegel
17: Messfläche
18: optisches Ablenksystem
19: Laserstrahl
20: reflektierter Strahl
21: reflektierter Strahl
23, 24: Interferrenzstrahlen
25: optoelektronisches Bauteil
26: Sensorfläche
27: Halbleiterchip
28: Ringelektrode
29: Sensorbereich
30: PN-Übergang
31: Kontaktfläche
32: Flip-Chip-Kontakte
33: Kontaktfläche
34: Flip-Chip-Kontakte
35: Kunststoffmasse
36: Gehäuse
37: Außenkontaktfläche
38: Außenkontaktfläche
39: Bonddrähte
40: optoelektronisches Bauteil
α: Einfallswinkel
β: Ausfallswinkel
γ: Abstrahlungswinkel

Claims

Optoelektronisches Bauteil (25, 40), das folgende Merkmale aufweist: – ein Halbleiterchip (27) mit einem Sensorbereich (29), der einen PN-Übergang (30) und eine Sensorfläche (26) aufweist, – eine Ringelektrode (28), die die Sensorfläche (26) begrenzt, – Kontaktflächen im Randbereich (31) des Sensorbereichs (29) und außerhalb (33) des Sensorbereichs (29), – ein Gehäuse (36), das den Halbleiterchip umgibt und das die Sensorfläche (26) frei lässt, und – ein teildurchlässiger Spiegel (1), der eine Schicht (4) mit einem Phasenwechselmedium aufweist und der auf der Sensorfläche (26) des Halbleiterchips (27) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauteil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der teildurchlässige Spiegel (1) – ein transparentes Substrat (2), – eine erste Schutzschicht (3), die auf dem Substrat (2) angeordnet ist, – eine Schicht (4) mit einem Phasenwechselmedium, die auf der ersten Schutzschicht (3) angeordnet ist, und eine zweite Schutzschicht (5), die auf dem Phasenwechselmedium (4) angeordnet ist, aufweist.
Optoelektronisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmedium ein Halbleitermaterial ist, das abhängig von einer thermischen Behandlung ein amorphes und/oder kristallines Gefüge aufweist.
Optoelektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmedium Germaniumantimontellurit aufweist und die erste und zweite Schutzschicht (4, 5) eine Mischung aus Zinksulfit und Siliciumdioxid aufweist.
Ein optoelektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass Flip-Chip-Kontakte (32) auf den Kontaktflächen (31, 33) angeordnet sind.
Ein optoelektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (31, 33) mittels Bonddrähten (39) mit den Außenkontaktflächen (37) des Gehäuses (36) verbunden sind.
Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Bauteils (25, 40) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das folgende Schritte aufweist: – Vorsehen eines optoelektronischen Bauteils (25, 40) – Beaufschlagen der gesamten Spiegelfläche (1) mit gepulsten Energiepaketen zur Einstellung des Verhältnisses von Reflektivität und Transmission des Spiegels (1), – Beaufschlagen des Spiegels (1) mit einem Mess- oder Signalstrahl (8) unter Strahlteilen des Mess- oder Signalstrahls (8) in Abhängigkeit von der eingestellten Reflektivität und Transmission, und – Detektieren des durch den Spiegel durchgelassen Strahlanteils.
Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Bauteils (25, 40) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass eine separate zweite Energiequelle das Verhältnis von Reflektivität und Transmission des Spiegels (1) einstellt.