DE10352741A1 - Strahlungsdetektierendes optoelektronisches Bauelement - Google Patents

Strahlungsdetektierendes optoelektronisches Bauelement Download PDF

Info

Publication number
DE10352741A1
DE10352741A1 DE10352741A DE10352741A DE10352741A1 DE 10352741 A1 DE10352741 A1 DE 10352741A1 DE 10352741 A DE10352741 A DE 10352741A DE 10352741 A DE10352741 A DE 10352741A DE 10352741 A1 DE10352741 A1 DE 10352741A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
radiation
optoelectronic component
component according
zone plate
semiconductor chip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE10352741A
Other languages
English (en)
Other versions
DE10352741B4 (de
Inventor
Rainer Minixhofer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram AG
Original Assignee
Austriamicrosystems AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Austriamicrosystems AG filed Critical Austriamicrosystems AG
Priority to DE10352741A priority Critical patent/DE10352741B4/de
Priority to EP04765903A priority patent/EP1683203A1/de
Priority to PCT/EP2004/011304 priority patent/WO2005048355A1/de
Priority to US10/578,960 priority patent/US7683449B2/en
Priority to JP2006538676A priority patent/JP4625467B2/ja
Publication of DE10352741A1 publication Critical patent/DE10352741A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE10352741B4 publication Critical patent/DE10352741B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627Microlenses
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/18Diffraction gratings
    • G02B5/1809Diffraction gratings with pitch less than or comparable to the wavelength
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0232Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02327Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14643Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645Colour imagers
    • H01L27/14647Multicolour imagers having a stacked pixel-element structure, e.g. npn, npnpn or MQW elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

Bei einem strahlungsdetektierenden optoelektronischen Bauelement mit einem Halbleiterchip (2), der eine oder mehrere strahlungsempfindliche Zonen (7, 8, 9) zur Detektion elektromagnetischer Strahlung (17) aufweist, erfolgt die Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung (17) in die strahlungsempfindlichen Zonen (7, 8, 9) durch ein diffraktives Element (1), das vorzugsweise in den Halbleiterchip (2) integriert ist. Das diffraktive Element (1) kann insbesondere eine Zonenplatte sein.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements sowie eine Verwendung einer Zonenplatte in einem derartigen Bauelement.
  • Die Empfindlichkeit strahlungsdetektierender Halbleiterbauelemente kann dadurch verbessert werden, dass die zu detektierende Strahlung in die lichtempfindlichen Bereiche fokussiert wird. Beispielsweise sind aus der US 6,221,687 und der US 6,362,498 Bildsensoren bekannt, die integrierte Arrays aus Mikrolinsen enthalten, die zur Fokussierung der empfangenen Strahlung auf eine Photodiode dienen. Bei den in diesen Dokumenten beschriebenen Bildsensoren werden zur Realisierung einer Empfindlichkeit für verschiedene Wellenlängen bzw. Farben Farbfilter verwendet. Ein ähnliches Bauelement ist auch aus der US 2002/0197763 A1 bekannt.
  • Andere Ausführungen farbempfindlicher strahlungsdetektierender Halbleiterbauelemente sind aus der US 5,965,875 und der US 2003/0038296 A1 bekannt. Bei diesen Bauelementen enthält der Halbleiterkörper mehrere strahlungsempfindliche p-n-Übergänge, die vertikal übereinander angeordnet sind. Die Farbempfindlichkeit beruht dabei darauf, dass kurzwellige Photonen aufgrund der stärkeren Absorption im Halbleiter bevorzugt in den oberen Bereichen des Halbleiterkörpers absorbiert werden und Photonen mit größerer Wellenlänge bevorzugt in den tieferliegenden Bereichen des Halbleiterkörpers absorbiert werden.
  • Bei den zuvor beschriebenen strahlungsdetektierenden Bauelementen erfolgt die Fokussierung der Strahlung mit refraktiven optischen Elementen, die wesentlich größer als die Wellenlänge der Strahlung sind.
  • Zur Fokussierung und/oder Umlenkung von Licht sind auf dem Prinzip der Lichtbeugung beruhende diffraktive Elemente bekannt, die Strukturen in der Größenordnung der Lichtwellenlänge aufweisen. Ein fokussierendes diffraktives Element ist zum Beispiel eine Zonenplatte. Zonenplatten werden insbesondere im Bereich der Röntgenstrahlung zur Fokussierung von Strahlung verwendet, wo der Einsatz von Linsen aufgrund der geringen Brechungsindexunterschiede zwischen verschiedenen Materialien und der starken Absorption nicht sinnvoll ist, beispielsweise in einem aus der DE 364257 A1 bekannten Röntgenmikroskop.
  • Zonenplatten bestehen aus Strukturen konzentrischer Ringe, wobei die Breite der Ringe nach außen hin abnimmt. Bei der Berechnung solcher Zonenplatten ist zwischen der Verwendung im Bereich der Nahfeld-Beugung (Fresnel-Beugung) und der Fernfeld-Beugung (Fraunhofer-Beugung) zu unterscheiden.
  • Die Berechnung Fresnelscher Zonenplatten ist beispielsweise aus E. Hecht, „Optik", Addison-Wesley (1989), bekannt. Weiterhin wird zwischen Amplituden- und Phasenzonenplatten unterschieden. Während bei Amplitudenzonenplatten die Strahlung jeder zweiten Fresnelschen Zone durch ein absorbierendes Material ausgeblendet wird, wird bei einer Phasenzonenplatte zwischen zwei benachbarten Zonen ein Gangunterschied dadurch erzeugt, dass sich die Materialien der Zonen in ihrem Brechungsindex und/oder ihrer Dicke unterscheiden. Bei beiden Ausführungsformen der Zonenplatten tritt jeweils im Fokus, dessen Position von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängt, konstruktive Interferenz auf.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes strahlungsdetektierendes optoelektronisches Bauelement anzugeben, das sich insbesondere durch eine verbesserte Empfindlichkeit und die Möglichkeit zur wellenlängenselektiven Strahlungsdetektion auszeichnet. Weiterhin soll ein Herstel lungsverfahren für ein derartiges optoelektronisches Bauelement angegeben werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optoelektronisches Bauelement nach Patentanspruch 1, ein Verfahren nach Patentanspruch 16 oder eine Verwendung nach Patentanspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Bei einem optoelektronischen Bauelement mit einem Halbleiterchip, der mindestens eine strahlungsempfindliche Zone zur Detektion elektromagnetischer Strahlung aufweist, und mit einem optischen Element zur Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung in die strahlungsempfindliche Zone, ist das optische Element ein diffraktives optisches Element.
  • Ein Vorteil der Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung in die strahlungsempfindlichen Bereiche durch ein diffraktives Element besteht darin, dass die Strukturen des diffraktiven Elements, die in der Größenordnung der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung liegen, durch einen bei der Herstellung von Halbleiterchips üblichen photolithographischen Prozeß hergestellt werden können. Insbesondere können die bei integrierten Schaltkreisen, beispielsweise in CMOS-Technologie, bereits vorhandenen metallischen und/oder dielektrischen Schichten zur Herstellung des diffraktiven Elements verwendet werden.
  • Im Vergleich zu refraktiven optischen Elementen ist es besonders vorteilhaft, dass ein diffraktives optisches Element als ebene Struktur in der Ebene des Halbleiterchips ausgebildet werden kann. Beispielsweise entfällt dadurch im Vergleich zur Herstellung von Mikrolinsen die technisch vergleichsweise aufwendige Herstellung konvexer Strukturen in der Richtung der einfallenden Strahlung, die senkrecht und/oder schräg zur Ebene des Halbleiterchips verläuft.
  • Die zu detektierende Strahlung kann beispielsweise eine Wellenlänge zwischen etwa 100 nm im ultravioletten Spektralbereich und etwa 5 μm im infraroten Spektralbereich aufweisen. Insbesondere kann es sich bei der zu detektierenden Strahlung um Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich von etwa 400 nm bis 800 nm handeln.
  • Der Abstand zwischen dem diffraktiven Element und einer strahlungsempfindlichen Zone des Halbleiterchips beträgt vorzugsweise weniger als 20 μm.
  • Das diffraktive Element ist insbesondere eine Zonenplatte. Bevorzugt gilt für die Fresnel-Zahl F der Zonenplatte
    Figure 00040001
    wobei D der Durchmesser der Zonenplatte ist und R der Abstand zwischen der Zonenplatte und der strahlungsempfindlichen Zone, in der Strahlung mit der Wellenlänge λ detektiert wird. Die strahlungsempfindliche Zone liegt dabei im Nahfeld der Zonenplatte, bei der es sich also um eine Fresnel-Zonenplatte handelt.
  • Der Halbleiterchip kann sowohl eine als auch mehrere strahlungsempfindliche Zonen aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die chromatische Aberration einer Zonenplatte dazu ausgenutzt wird, eine Farbempfindlichkeit des strahlungsdetektierenden Bauelements herzustellen. Vorzugsweise sind dazu in der Richtung der einfallenden Strahlung mehrere strahlungsempfindliche Zonen hintereinander angeordnet, wobei die strahlungsempfindlichen Zonen für kürzere Wellenlängen denen für längere Wellenlängen nachgeordnet sind. Mit der Zonenplatte wird so gleichzeitig eine Fokussierung der Strahlung als auch eine Wellenlängenselektion erreicht. Beispielsweise können drei strahlungsempfindliche Zonen für die Primärfarben Rot, Grün und Blau in den verschiedenen Fokalebenen für die jeweilige Farbe angeordnet sein.
  • Die Zonenplatte ist beispielsweise eine Amplituden-Zonenplatte, bei der die Zonen abwechselnd aus einem transparenten und einem absorbierenden Material bestehen. Das absorbierende Material ist z.B. ein Metall.
  • Vorzugsweise ist die Zonenplatte eine binäre Phasen-Zonenplatte. Die Zonen bestehen dabei abwechselnd aus jeweils einem von zwei transparenten Materialien. Beispielsweise kann es sich bei diesen Materialien um ein Siliziumoxid oder um ein Siliziumnitrid handeln. Da bei der Phasen-Zonenplatte im Gegensatz zur Amplituden-Zonenplatte nicht die Hälfte aller Zonen durch Absorption ausgeblendet wird, ist die Strahlungsamplitude im Fokus einer Phasen-Zonenplatte um etwa einen Faktor 2 größer, also die Intensität um etwa einen Faktor 4 größer als bei einer Amplituden-Zonenplatte.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 und 2 näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements gemäß der Erfindung und
  • 2 eine schematisch dargestellte Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Zonenplatte.
  • Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Der in 1 dargestellte strahlungsdetektierende Halbleiterchip 2 enthält jeweils zwei n-dotierte Bereiche 4, 6 und p-dotierte Bereiche 3, 5, die beispielsweise in dem Grundmaterial Silizium ausgebildet sind. Die Übergangsbereiche zwischen den p-dotierten und den n-dotierten Bereichen fungieren als strahlungsempfindliche Zonen 7, 8, 9. Die elektrische Kontaktierung und Verschaltung des Halbleiterbauelements kann beispielsweise in einer Kontaktierungsebene 19 durch metallische Leiterbahnen 16 erfolgen.
  • Auf den Halbleiterchip 2 einfallende elektromagnetische Strahlung 17 wird durch eine Zonenplatte 1 in die strahlungsempfindlichen Zonen 7, 8, 9 fokussiert. Durch diese Fokussierung wird einerseits die Empfindlichkeit des Bauelements erhöht und andererseits durch Ausnutzung des Farbfehlers der Zonenplatte (chromatische Aberration) eine Farbempfindlichkeit erreicht. Im Gegensatz zu einer Linse nimmt bei einer Zonenplatte die Brennweite mit zunehmender Wellenlänge des Lichts ab. Eine wellenlängenselektive Strahlungsdetektion kann deshalb dadurch erreicht werden, dass in der Einfallsrichtung des Lichts 17 mehrere strahlungsempfindliche Zonen 7, 8, 9 hintereinander angeordnet sind, wobei die strahlungsempfindlichen Zonen für kürzere Wellenlängen denen für längere Wellenlängen nachgeordnet sind.
  • Zum Beispiel enthält der Halbleiterchip 2 eine strahlungsempfindliche Zone 7 in der Fokalebene 11 für rotes Licht, eine in der Richtung des einfallenden Lichts 17 nachfolgende zweite strahlungsempfindliche Zone 8 in der Fokalebene 12 für grünes Licht und nachfolgend eine dritte strahlungsempfindliche Zone 9 in der Fokalebene 13 für blaues Licht. In diesem Beispiel ist also ein Strahlungsdetektor für die drei Primärfarben realisiert. Im Rahmen der Erfindung ist auch eine andere Anzahl strahlungsdetektierender Bereiche und eine andere Auswahl zu detektierender Wellenlängenbereiche bzw. Farben möglich.
  • Die Zonenplatte 1 ist bevorzugt ein integraler Bestandteil des Halbleiterchips 2. Beispielsweise folgt innerhalb des Halbleiterchips auf die Kontaktierungsebene 19, in der die metallischen Leiterbahnen 16 ausgebildet sind, eine dielektrische Schicht 18, auf die eine metallische oder dielektrische Schicht aufgebracht ist, in der durch eine photolithographische Strukturierung die Struktur der Zonenplatte 1 ausgebildet ist. Die Zonenplatte 1 weist eine Struktur konzentrischer Ringe auf, die abwechselnd Bereiche 14, 15 aus verschiedenen Materialien enthält. Die Bereiche 14, 15 können entweder aus Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes n1 und n2 oder aus jeweils einem absorbierenden und einem transparenten Material gebildet sein. Die Zonenplatte ist beispielsweise mit einer transparenten Schicht 21 abgedeckt, die insbesondere zum Schutz der Zonenplatte dient. Sie kann alternativ aber auch an der Oberfläche des Halbleiterchips 2 ausgebildet sein.
  • Die Schichten, aus denen die Kontaktierungsebene 19 und die Zonenplatte 1 ausgebildet sind, sowie die dazwischenliegende dielektrische Schicht 18 sind vorteilhaft Bestandteile der Schichtstruktur eines integrierten Schaltkreises. Da integrierte Schaltkreise eine Schichtenfolge aus metallischen und dielektrischen Schichten enthalten, ist die Zonenplatte 1 vorteilhaft in einer der bereits vorhandenen Schichten mit einem in der Halbleitertechnik üblichen Prozeß, beispielsweise photolithographisch hergestellt. Der Herstellungsaufwand wird dadurch vorteilhaft reduziert.
  • Ein weiterer Vorteil der Integration der Zonenplatte 1 in den Halbleiterchip 2 ist, dass im Vergleich zur Montage einer separat hergestellten Zonenplatte kein weiterer Aufwand für die Justierung anfällt. Insbesondere wird durch die integrierte Bauweise eine Dejustierung der Zonenplatte 1, durch die sich die Fokalebenen 11, 12, 13 relativ zu den strahlungsempfindlichen Zonen 7, 8, 9 verschieben könnten, verhindert.
  • Eine schematisch dargestellte Aufsicht auf eine Fresnelsche Zonenplatte 1, die 7 Zonen enthält und für eine Brennweite von 3 μm bei einer Wellenlänge von 550 nm berechnet wurde, zeigt 2. Der Durchmesser der Zonenplatte 1 beträgt in diesem Beispiel D = 12,32 μm und die Breite der äußersten Ringzone 307 nm.
  • Die Zonenplatte 1 kann entweder eine Amplituden-Zonenplatte oder eine Phasen-Zonenplatte sein. Eine Amplituden-Zonenplatte enthält abwechselnd lichtundurchlässige Ringzonen 14 und lichtdurchlässige Ringzonen 15. Die lichtundurchlässigen Ringzonen 14 enthalten beispielsweise ein Metall und die lichtdurchlässigen Ringzonen 15 ein Dielektrikum. Alternativ können die lichtdurchlässigen Bereiche 15 auch frei von Material sein.
  • Die Zonenplatte 1 kann auch als Phasen-Zonenplatte ausgebildet sein. In diesem Fall enthält die Zonenplatte Ringzonen 14 aus einem Material mit dem Brechungsindex n1 und benachbarte Ringzonen 15 aus einem Material mit dem Brechungsindex n2, die jeweils beide lichtdurchlässig sind.
  • Die beiden lichtdurchlässigen Materialien können beispielsweise ein Siliziumoxid und ein Siliziumnitrid sein. Diese Materialien haben den Vorteil, dass sie typischerweise in den Strukturen integrierter Schaltkreise enthalten sind. Die Herstellung der Zonenplatte läßt sich somit verhältnismäßig einfach in den Herstellungsprozeß eines integrierten Schaltkreises integrieren. Die Brechungsindizes dieser Materialien betragen beispielsweise bei der Wellenlänge λ = 550 nm nSiO2 = 1,46 und nSi3N4 = 2,05. Um einen Gangunterschied zwischen den Ringzonen 14, 15 aus diesen Materialien von einer Wellenlänge λ zu erzeugen, muß die Dicke d der Zonenplatte 1
    Figure 00080001
    betragen. Eine derartige Schichtdicke liegt in einem in der Halbleiterfertigung üblichen Bereich. Unter der Annahme, dass eine Amplituden-Zonenplatte etwa die Hälfte der einfallenden Strahlung absorbiert, ist die Intensität im Fokus einer Phasen-Zonenplatte vorteilhaft um ungefähr einen Faktor 4 größer als bei der Amplituden-Zonenplatte.
  • Tabelle 1:
    Figure 00090001
  • In der Tabelle 1 sind beispielhaft die Durchmesser D und die minimalen Strukturgrößen lmin, die durch die Breite der äußersten Ringzone gegeben sind, für Zonenplatten angegeben, die jeweils für eine bestimmte Grundwellenlänge λ0 eine Brennweite von f0 = 7 μm aufweisen. Die angegebenen Durchmesser D und minimalen Strukturgrößen lmin gelten jeweils für Zonenplatten mit 5 Zonen. Weiterhin sind die aufgrund der chromatischen Aberration variierenden Brennweiten der jeweiligen Zonenplatten für verschiedene Wellenlängen im Bereich zwischen λ = 300 nm und λ = 850 nm angegeben.
  • Die Brennweite f einer Zonenplatte, die bei der Grundwellenlänge λ0 die Brennweite f0 aufweist, beträgt bei der Wellenlänge λ:
    Figure 00090002
  • Für Wellenlängen λ, die kleiner als die Grundwellenlänge λ0 sind, nimmt die Brennweite der Zonenplatte zu, während sie für Wellenlängen oberhalb der Grundwellenlänge abnimmt. Für eine vorgegebene Brennweite f0 nimmt die minimale Strukturgröße lmin der Zonenplatte mit abnehmender Grundwellenlänge λ0 ab. Wie aus der Tabelle hervorgeht, beträgt sie beispielsweise lmin = 550 nm für λ0 = 850 nm, und lmin = 297 nm für λ0 = 300 nm.
  • Strukturen dieser Größe sind mit Photolithographie herstellbar. Beispielsweise wird zunächst eine Photolackschicht auf ein durchgehende Metallschicht aufgetragen, auf die anschließend eine Maske, die die Struktur der Zonenplatte enthält, projiziert wird. Vorzugsweise wird die Maske stark verkleinert auf den Photolack abgebildet, um zu vermeiden, dass die Maske bereits als Zonenplatte wirkt und so das zur Belichtung eingesetzte Licht fokussiert. Anschließend erfolgt das Entwickeln des Photolacks, wobei der Photolack zum Beispiel an den belichteten Stellen abgelöst wird, und nachfolgend ein Ätzen der Ringstruktur an den Stellen, die nicht mit dem Photolack bedeckt sind. Der Ätzprozeß kann insbesondere ein anisotroper Ätzprozeß sein. Die Zwischenräume zwischen den Ringzonen werden anschließend wahlweise mit einem Dielektrikum ausgefüllt oder bleiben frei.
  • Im Fall einer Phasen-Zonenplatte wird die Zonenplattenstruktur in ein erstes Dielektrikum geätzt und anschließend mit einem zweiten Dielektrikum aufgefüllt. Bei einer Zonenplatte an der Oberfläche eines Halbleiterchips können die Zwischenräume nach dem Ätzprozeß auch frei bleiben. Bevorzugt wird die Oberfläche anschließend planarisiert, beispielsweise durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP).
  • Die Erläuterung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele ist selbstverständlich nicht als Einschränkung auf diese zu verstehen. Vielmehr umfaßt die Erfindung die offenbarten Merkmale sowohl einzeln als auch in jeder Kombination miteinander, auch wenn diese Kombinationen nicht explizit in den Ansprüchen angegeben sind.

Claims (18)

  1. Optoelektronisches Bauelement mit einem Halbleiterchip (2), der mindestens eine strahlungsempfindliche Zone (7, 8, 9) zur Detektion elektromagnetischer Strahlung (17) aufweist, und einem optischen Element zur Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung (17) in die strahlungsempfindliche Zone (7, 8, 9), dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein diffraktives Element (1) ist, das Strukturen (14, 15) in der Größenordnung der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung (17) aufweist.
  2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive Element (1) eine Zonenplatte ist.
  3. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive Element (1) in den Halbleiterchip (2) integriert ist.
  4. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu detektierende Strahlung (17) eine Wellenlänge zwischen 100 nm und 5 μm aufweist.
  5. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zu detektierende Strahlung (17) Licht im sichtbaren Spektralbereich von etwa 400 nm bis 800 nm ist.
  6. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem diffraktiven Element (1) und einer strahlungsempfindlichen Zone (7, 8, 9) weniger als 20 μm beträgt.
  7. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlung mit der Wellenlänge λ in einer strahlungsempfindlichen Zone (7, 8, 9) in einem Abstand R von der Zonenplatte (1) detektiert wird, wobei die Zonenplatte (1) einen Durchmesser D aufweist, und für die Fresnelzahl F der Zonenplatte (1) gilt: F = (D2 /λ R) > 1
  8. Optoelektronisches Bauelement nach einem der nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite der Zonenplatte (1) für Strahlung mit der Wellenlänge 550 nm zwischen 1 μm und 20 μm beträgt.
  9. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (2) mehrere strahlungsempfindliche Zonen (7, 8, 9) aufweist, wobei die strahlungsempfindlichen Zonen für kürzere Wellenlängen in Richtung der einfallenden Strahlung (17) denen für längere Wellenlängen nachgeordnet sind.
  10. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindlichen Zonen (7, 8, 9) jeweils in Fokalebenen (11, 12, 13) des diffraktiven Elements (1) für eine Farbe angeordnet sind.
  11. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (2) drei strahlungsempfindliche Zonen enthält (7, 8, 9), die in Fokalebenen (11, 12, 13) des diffraktiven Elements (1) für jeweils eine der Primärfarben Rot, Grün und Blau angeordnet sind.
  12. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive Element (1) durch die Strukturierung einer auf den Halbleiterchip (2) aufgebrachten oder in dem Halbleiterchip (2) enthaltenen Schicht hergestellt ist.
  13. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht eine Metallschicht ist.
  14. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zonenplatte (1) als Phasen-Zonenplatte aus zwei transparenten Materialien (14, 15) mit unterschiedlichen Brechungsindizes n1 und n2 ausgebildet ist.
  15. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Materialien ein Siliziumoxid und das zweite der Materialien ein Siliziumnitrid enthält.
  16. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element (1) durch eine Strukturierung einer auf den Halbleiterchip (2) aufgebrachten oder in dem Halbleiterchip (2) enthaltenen Schicht hergestellt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (2) einen integrierten Schaltkreis enthält.
  18. Verwendung einer Zonenplatte (1) zur Fokussierung und/oder Wellenlängenselektion elektromagnetischer Strahlung (17) in eine oder mehrere strahlungsempfindliche Zonen (7, 8, 9) eines strahlungsdetektierenden Halbleiterchips (2).
DE10352741A 2003-11-12 2003-11-12 Strahlungsdetektierendes optoelektronisches Bauelement, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung Expired - Fee Related DE10352741B4 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10352741A DE10352741B4 (de) 2003-11-12 2003-11-12 Strahlungsdetektierendes optoelektronisches Bauelement, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung
EP04765903A EP1683203A1 (de) 2003-11-12 2004-10-08 Strahlungsdetektierendes optoelektronisches bauelement
PCT/EP2004/011304 WO2005048355A1 (de) 2003-11-12 2004-10-08 Strahlungsdetektierendes optoelektronisches bauelement
US10/578,960 US7683449B2 (en) 2003-11-12 2004-10-08 Radiation-detecting optoelectronic component
JP2006538676A JP4625467B2 (ja) 2003-11-12 2004-10-08 光電素子、光電素子の製造方法、光電素子でのゾーンプレートの使用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10352741A DE10352741B4 (de) 2003-11-12 2003-11-12 Strahlungsdetektierendes optoelektronisches Bauelement, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE10352741A1 true DE10352741A1 (de) 2005-06-23
DE10352741B4 DE10352741B4 (de) 2012-08-16

Family

ID=34584994

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10352741A Expired - Fee Related DE10352741B4 (de) 2003-11-12 2003-11-12 Strahlungsdetektierendes optoelektronisches Bauelement, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7683449B2 (de)
EP (1) EP1683203A1 (de)
JP (1) JP4625467B2 (de)
DE (1) DE10352741B4 (de)
WO (1) WO2005048355A1 (de)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7288825B2 (en) 2002-12-18 2007-10-30 Noble Peak Vision Corp. Low-noise semiconductor photodetectors
TW200913238A (en) * 2007-06-04 2009-03-16 Sony Corp Optical member, solid state imaging apparatus, and manufacturing method
FR2983641A1 (fr) * 2011-12-01 2013-06-07 St Microelectronics Sa Capteur d'image
EP2802009B1 (de) 2013-05-08 2021-03-24 ams AG Integrierte Bildgebungsvorrichtung für Infrarotstrahlung und Herstellungsverfahren
EP2881753B1 (de) 2013-12-05 2019-03-06 ams AG Optische Sensoranordnung und Verfahren zur Herstellung einer optischen Sensoranordnung
EP2881983B1 (de) 2013-12-05 2019-09-18 ams AG Interposer-Chip-Anordnung für dichte Chippackungen
US10114120B2 (en) * 2014-04-16 2018-10-30 The Regents Of The University Of Michigan Unidirectional near-field focusing using near-field plates
US10186623B2 (en) * 2016-02-05 2019-01-22 Texas Instruments Incorporated Integrated photodetector
US10297629B2 (en) 2017-09-11 2019-05-21 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensors with in-pixel lens arrays
US10312280B2 (en) * 2017-09-28 2019-06-04 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensors with diffractive lenses for stray light control
US10283543B2 (en) * 2017-09-28 2019-05-07 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensors with diffractive lenses
DE112017008235T5 (de) 2017-11-27 2020-08-13 Mitsubishi Electric Corporation Optische Halbleitervorrichtung
US10483309B1 (en) 2018-09-07 2019-11-19 Semiductor Components Industries, Llc Image sensors with multipart diffractive lenses
US10957727B2 (en) 2018-09-26 2021-03-23 Semiconductor Components Industries, Llc Phase detection pixels with diffractive lenses
CN111463226A (zh) * 2020-05-11 2020-07-28 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 光电集成器件及其制造方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1764639B1 (de) * 1967-07-13 1971-02-18 Kurt Dr Lehovec Integriertes elektrooptisches Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
EP0307484A1 (de) * 1987-03-31 1989-03-22 Kanegafuchi Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Farbsensor
DE19737561C1 (de) * 1997-08-28 1999-04-15 Forschungszentrum Juelich Gmbh Mehrfarbensensor

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3704377A (en) * 1967-07-13 1972-11-28 Inventors & Investors Inc Laser comprising fresnel optics
US3763372A (en) * 1967-07-13 1973-10-02 Inventors & Investors Inc Zone plate optics monolithically integrated with photoelectric elements
US4016416A (en) * 1976-03-23 1977-04-05 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Phase compensated zone plate photodetector
DE3642457A1 (de) * 1986-12-12 1988-06-30 Zeiss Carl Fa Roentgen-mikroskop
JP2570946B2 (ja) * 1992-06-25 1997-01-16 キヤノン株式会社 カラー画像読取装置
US5497269A (en) 1992-06-25 1996-03-05 Lockheed Missiles And Space Company, Inc. Dispersive microlens
JPH0667046A (ja) * 1992-08-21 1994-03-11 Sharp Corp 光集積回路
US5682266A (en) * 1995-04-05 1997-10-28 Eastman Kodak Company Blur filter for eliminating aliasing in electrically sampled images
DE19518303C2 (de) * 1995-05-18 1997-04-10 Forschungszentrum Juelich Gmbh Optische Linsen-/Detektoranordnung
FR2748604B1 (fr) * 1996-05-13 1998-08-07 Commissariat Energie Atomique Photodetecteur a structure optique resonnante avec un reseau
US6150683A (en) * 1997-06-27 2000-11-21 Foveon, Inc. CMOS-based color pixel with reduced noise in the blue signal
US5965875A (en) * 1998-04-24 1999-10-12 Foveon, Inc. Color separation in an active pixel cell imaging array using a triple-well structure
US6727521B2 (en) 2000-09-25 2004-04-27 Foveon, Inc. Vertical color filter detector group and array
US6221687B1 (en) * 1999-12-23 2001-04-24 Tower Semiconductor Ltd. Color image sensor with embedded microlens array
US7412462B2 (en) * 2000-02-18 2008-08-12 Burnside Acquisition, Llc Data repository and method for promoting network storage of data
US6864557B2 (en) * 2001-06-18 2005-03-08 Foveon, Inc. Vertical color filter detector group and array
US6566160B2 (en) 2001-06-21 2003-05-20 United Microelectronics Corp. Method of forming a color filter
JP2003272212A (ja) * 2002-01-11 2003-09-26 Mitsumi Electric Co Ltd N波長受光素子
US7129466B2 (en) * 2002-05-08 2006-10-31 Canon Kabushiki Kaisha Color image pickup device and color light-receiving device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1764639B1 (de) * 1967-07-13 1971-02-18 Kurt Dr Lehovec Integriertes elektrooptisches Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
EP0307484A1 (de) * 1987-03-31 1989-03-22 Kanegafuchi Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Farbsensor
DE19737561C1 (de) * 1997-08-28 1999-04-15 Forschungszentrum Juelich Gmbh Mehrfarbensensor

Also Published As

Publication number Publication date
US7683449B2 (en) 2010-03-23
EP1683203A1 (de) 2006-07-26
WO2005048355A1 (de) 2005-05-26
DE10352741B4 (de) 2012-08-16
US20070278604A1 (en) 2007-12-06
JP2007534158A (ja) 2007-11-22
JP4625467B2 (ja) 2011-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10352741B4 (de) Strahlungsdetektierendes optoelektronisches Bauelement, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung
DE112014002312B4 (de) Integrierte Bildgebungsvorrichtung für Infrarotstrahlung und Herstellungsverfahren
DE60318168T2 (de) Bildsensor mit größeren Mikrolinsen in den Randbereichen
DE102011056178B4 (de) Rückseitenbelichtungssensor mit einer Bonding-Flächenstruktur und Herstellungsverfahren für denselben
DE60129499T2 (de) Mikrolinse und Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
DE112018000926T5 (de) Festkörperabbildungsbauelement und abbildungsvorrichtung
DE112018002670T5 (de) Breitband achromatische flache optische Komponenten durch dispersionstechnische dielektrische Metaoberflächen
DE102012001481A1 (de) Lichtsensor mit IR-Interferenz-Sperrfilter und Farbfilter, die auf einem Chip integriert sind
WO2010102985A1 (de) Verfahren zur herstellung einer vielzahl von mikrooptoelektronischen bauelementen und mikrooptoelektronisches bauelement
DE102006039071A1 (de) Optisches Filter und Verfahren zu seiner Herstellung
WO2009106316A2 (de) Multispektralsensor
DE102009060277A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Justiermarken für licht-undurchlässige bzw. licht-absorbierende Schichten (Light-Shield-Resistmasken)
EP3204739B1 (de) Vorrichtung zur spektrometrischen erfassung von licht mit einer photodiode, die monolithisch in die schichtstruktur eines wellenlängenselektiven filters integriert ist
DE102004062971A1 (de) Komplementärer Metalloxid-Halbleiter-Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102007051752A1 (de) Licht blockierende Schichtenfolge
DE102007058384A1 (de) Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102005063111B4 (de) CMOS-Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102015104813B4 (de) Halbleiteranordnung mit einer optischen Maske, Verfahren zum Herstellen einer optischen Maskenvorrichtung
DE102004062954A1 (de) CMOS-Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102016208841B4 (de) Farbsensor mit winkelselektiven Strukturen
DE102012216695A1 (de) Mikrolinsenarray und verfahren zum herstellen eines mikrolinsenarrays
DE102018202777A1 (de) Farbsensor mit Mikrolinsen umfassenden winkelselektiven Strukturen
DE102006039073A1 (de) Vorrichtung zur Untersuchung der spektralen und örtlichen Verteilung einer elektromagnetischen, von einem Gegenstand ausgehenden Strahlung
EP0870333B1 (de) Optische linsen-/detektoranordnung
DE102007040084A1 (de) Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final

Effective date: 20121117

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee