DE112013004299B4

DE112013004299B4 - Optoelektronischer Sensor

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Publication number: DE112013004299B4
Application number: DE112013004299.1T
Authority: DE
Inventors: Bernhard Jakoby; Ventsislav M. Lavchiev; Thomas Grille; Peter Irsigler; Sokratis Sgouridis; Ursula Hedenig; Thomas Ostermann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2021-12-30
Anticipated expiration: 2033-08-27
Also published as: CN104854443A; US9417186B2; US20140061677A1; WO2014032793A1; CN104854443B; DE112013004299T5

Abstract

Optoelektronischer Infrarot (IR)-Sensor, der aufweist:ein Halbleitersubstrat (202), das einen Silizium-Wellenleiter (110, 204) aufweist, der sich entlang einer Länge zwischen einem Strahlungseinlasskanal (104), der zur Einkopplung von Strahlung in den Silizium-Wellenleiter (110, 204) geeignet ist, und einem Strahlungsauslasskanal (108), der zur Auskopplung von Strahlung aus dem Silizium-Wellenleiter (110, 204) geeignet ist, erstreckt,eine Pufferschicht (120), die an eine Unterseite des Silizium-Wellenleiters (110, 204) zwischen dem Strahlungseinlasskanal (104) und dem Strahlungsauslasskanal (108) grenzt,wobei der Silizium-Wellenleiter (110, 204) geeignet ist, die Strahlung von dem Strahlungseinlasskanal (104) zum Strahlungsauslasskanal (108) in einer einzelnen Mode zu übertragen, so dass ein abklingendes Feld ausgebildet wird, das sich vom Silizium-Wellenleiter (110, 204) nach außen erstreckt zur Wechselwirkung mit einer Probe (112), und wobei der Optoelektronische Infrarot (IR)-Sensor zudem aufweist:eine Kopplungsstruktur (302) zur Kopplung von Strahlung einer Strahlungsquelle (104a, 206) in den Silizium-Wellenleiter (110, 204), wobei die Kopplungsstruktur (302) eine Mehrzahl einzelner Schichten (302a, 302b, 302c) mit unterschiedlichen Materialien aufweist, die sich von einer Oberseite des Silizium-Wellenleiters (104, 204) zur Pufferschicht (120) vertikal erstrecken und in einer entlang einer Länge des Silizium-Wellenleiters (104, 204) verlaufenden horizontalen Richtung gestapelt sind.

Description

HINTERGRUND
Elektronische Sensoren messen eine physikalische Größe und wandeln die gemessene physikalische Größe in ein Signal um, das einem elektronischen Gerät (z.B. einem integrierten Chipprozessor) bereitgestellt wird. In den vergangenen Jahren haben die Anwendungsgebiete, welche Sensoren verwenden, erheblich zugenommen. Beispielsweise finden sich Sensoren in verschiedenen Anwendungen wie chemischen Substanzdetektionseinheiten, medizinischen Diagnoseeinrichtungen, industriellen Prozesssteuerungen, Verunreinigungsüberwachungsanlagen, Automobilen, usw.
Infrarotsensoren wie beispielsweise mittlere Infrarot (IR)-Sensoren messen Strahlung, die von Objekten mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts im Infrarot (IR)-Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert wurde. Das mittlere Infrarotspektrum deckt elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen in einem Bereich von ungefähr 2-25 µm ab. Durch Messung von Änderungen im MIR Spektrum sind Sensoren in der Lage, Änderungen von beispielsweise chemischen Eigenschaften oder der Temperatur einer Probe zu messen. Beispielhafte IR-Sensoren sind aus den Druckschriften US 2008 / 0 101 744 A1 , US 2012 / 0 088 230 A1 , US 8 106 379 B2 sowie US 2009 / 0 087 137 A1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung ist im unabhängigen Patentanspruch 1 definiert. Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Figurenliste

1A ist eine Draufsicht auf ein Blockdiagramm gemäß Ausführungsformen eines beschriebenen optoelektronischen Infrarot (IR) -Sensors.
1B-1C zeigen Querschnittsansichten des optoelektronischen Infrarot (IR)-Sensors von 1A.
2 ist eine Querschnittsansicht von Ausführungsformen eines IR-Sensors mit einem in dem Wellenleiter integrierten Emitter.
3A-3B zeigen Querschnittsansichten von zusätzlichen Ausführungsformen eines IR-Sensors mit einem in dem Wellenleiter intergierten Emitter.
4 zeigt eine Querschnittsansicht zusätzlicher beispielhafter Ausgestaltungsformen eines IR-Sensors mit einem Emitter außerhalb der Ebene eines Wellenleiters.
5 ist eine dreidimensionale Darstellung weiterer beispielhafter Ausgestaltungsformen eines IR-Sensors mit einem oder mehreren Silizium-Rippenwellenleitern.
6 ist eine dreidimensionale Darstellung weiterer beispielhafter Ausgestaltungsformen eines IR-Sensors mit einem oder mehreren Silizium-Rippenwellenleitern, die oberhalb einer oder mehrerer Aussparungen in der Rückseite eines Siliziumsubstrats angeordnet sind.
7A-7B zeigen Draufsichten auf beispielhafte Ausgestaltungsformen einer Rückseite des Siliziumsubstrats von 6.
8 zeigt eine Querschnittsansicht weiterer beispielhafter Ausgestaltungsformen eines IR-Sensors mit einer Mehrzahl dielektrischer Schichten, die geeignet sind, eine optische Isolation zwischen einem Silizium-Wellenleiter und einem darunter liegenden Substrat herzustellen.
9A zeigt eine Draufsicht auf beispielhafte Ausgestaltungsformen eines IR-Sensors mit einem photonischen Kristall-Wellenleiter.
9B zeigt eine Querschnittsansicht weiterer beispielhafter Ausgestaltungsformen eines IR-Sensors mit einem photonischen Kristall-Wellenleiter.
10 ist eine Draufsicht auf weitere beispielhafte Ausgestaltungsformen eines IR-Sensors mit einem photonischen Kristall-Wellenleiter.
11 zeigt eine Draufsicht auf eine detaillierte beispielhafte Ausgestaltungsform eines IR-Sensors mit einem photonischen Kristall-Wellenleiter.
12 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ausbildung eines IR-Sensors mit einem Silizium-Wellenleiter.

DETAILBESCHREIBUNG
Die beanspruchte Lehre wird nun mit Bezug auf die Abbildungen beschrieben, wobei ähnliche Bezugskennzeichen als Verweis auf ähnliche Elemente verwendet werden. In der folgenden Beschreibung wird eine Vielzahl spezifischer Details zum Zwecke der Erläuterung dargelegt, um ein tiefergehendes Verständnis der beanspruchten Lehre zu erzielen. Es ist jedoch offensichtlich, dass die beanspruchte Lehre auch ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden kann.
Infrarot-Spektroskopie erfolgt unter Verwendung von Strahlung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums (d.h. Strahlung mit Wellenlängen von annäherungsweise 2-25 µm). Viele moderne Sensoren verwenden den Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums, um Eigenschaften von flüssigen und/oder gasförmigen Proben zu messen. Solche Sensoren erzeugen IR-Strahlung, welche mit den Proben bei Kontakt reagiert, was eine Änderung (z.B. Dämpfung) in der IR Strahlung hervorruft. Die Sensoren messen dann die Änderungen im IR-Strahlungsspektrum, um Eigenschaften der Proben zu bestimmen.
Die Messung einer charakteristischen Absorption von Proben im IR-Strahlungsspektrum stellt einen chemischen Fingerabdruck dar, da bestimmte Substanzen eine stärkere Absorption bei bestimmten für die Substanz charakteristischen Wellenlängen zeigen. Diese Eigenschaft lässt sich nutzen, indem die Substanz einer Breitband-IR-Strahlung ausgesetzt wird und die Absorption im Spektrum bestimmt wird, nachdem die Strahlung durch oder teilweise durch die Probe getreten ist.
In den letzten Jahren hat die Sensorforschung ein erhebliches Wachstum erfahren, zumal die Zahl von Anwendungsbereichen unter Verwendung von Sensoren zugenommen hat. Da Sensoren in immer unterschiedlicheren Anwendungen eingesetzt werden, werden die Herausforderungen für Sensorvorrichtungen zunehmend komplexer. Eine solche Herausforderung stellt die Ausbildung von Sensoren dar, die kompatibel mit Silizium-basierten Technologien sind und sich in diese integrieren lassen. Durch Integration der Sensoren in Silizium-basierte Technologien können die Sensoren beispielsweise auf einfache Weise auf einem einzelnen integrierten Chip mit weiteren Komponenten, wie Prozessoren, Speichern, usw. hergestellt werden.
Diese Offenbarung betrifft einen optoelektronischen Sensor, der einen Silizium-Wellenleiter aufweist, welcher in einem einzelnen integrierten Chip implementiert ist. In einigen Ausführungsformen weist der IR-Sensor eine Strahlungsquelle auf, die geeignet ist, Strahlung zu erzeugen, sowie einen Strahlungsdetektor, der geeignet ist, eine oder mehrere Eigenschaften der Strahlung zu messen. Ein Silizium-Wellenleiter (d.h. ein optischer Wellenleiter aus Silizium) erstreckt sich entlang einer Länge zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsdetektor. Der Silizium-Wellenleiter eignet sich dazu, die Strahlung von der Strahlungsquelle zum Strahlungsdetektor in einer einzelnen Mode zu übertragen. Die übertragene Strahlung bildet ein abklingendes Feld aus, das sich vom Silizium-Wellenleiter nach außen erstreckt, um mit einer in Bereichen des abklingenden Feldes positionierten Probe in Wechselwirkung zu treten. Da das abklingende Feld mit der Probe wechselwirkt, wird die durch den Silizium-Wellenleiter geführte Strahlung gemäß einer oder mehrerer Eigenschaften der Probe gedämpft (z.B. wird die Strahlung insbesondere in einem Wellenlängenbereich absorbiert, der der Wellenlänge der geführten Welle oder Wellen entspricht). Der Strahlungsdetektor ist dazu geeignet, die gedämpfte MIR-Strahlung zu empfangen und die eine oder mehreren Eigenschaften der Probe aus der gedämpften MIR-Strahlung abzuleiten.
1A zeigt ein Blockdiagramm in einer Draufsicht 100 auf Ausführungsformen eines offenbarten optoelektronischen Infrarot-Sensors (IR-Sensor).
Der IR-Sensor weist einen Strahlungseinlasskanal 104, ein Wechselwirkungsvolumen 106, und einen Strahlungsauslasskanal 108 auf. Ein Halbleitersubstrat 102 weist einen Silizium-Wellenleiter 110 auf, der sich entlang einer Länge zwischen dem Strahlungseinlasskanal 104 und dem Strahlungsauslasskanal 108 erstreckt. Es sei angemerkt, dass das Halbleitersubstrat 102 in unterschiedlichen Ausführungsformen unterschiedliche Merkmale aufweisen kann. Beispielsweise kann das Siliziumsubstrat Mikrostrukturen (z.B. ein regelmäßiges Muster von sogenannten photonischen Kristallen ausbildenden Löchern) aufweisen, Schichten weiterer Materialien (z.B. Siliziumnitrid) zwischen dem Silizium-Wellenleiter 110 und einem darunter liegenden Siliziumsubstrat, und/oder Aussparungen an einer Rückseite des Substrats, welche sich unter dem Silizium-Wellenleiter 102 erstrecken.
Der Strahlungseinlasskanal 104 eignet sich dazu, Infrarot (IR)-Strahlung in den Silizium-Wellenleiter 110 (d.h. ein Wellenleiter aus Silizium) von einer zur Emission von Strahlung 114 geeigneten Strahlungsquelle 104a einzukoppeln, wobei der Silizium-Wellenleiter 110 auf dem Halbleitersubstrat 102 (z.B. ein Siliziumsubstrat) angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen weist die Strahlung 114 mittlere Infrarot (MIR)-Strahlung auf, (z.B. ein elektromagnetisches Feld mit einer Wellenlänge im mittleren Infrarot-Bereich des elektromagnetischen Spektrums von näherungsweise 2 µm bis näherungsweise 25 µm), während die Strahlung in anderen Ausführungsformen andere Wellenlängen aufweist (z.B. nahe Infrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 750 nm und 1 mm). In verschiedenen Ausführungsformen kann die Strahlungsquelle 104 eine Strahlungsquelle aufweisen, welche in das Halbleitersubstrat 102 integriert ist (d.h. eine innerhalb des Halbleitersubstrats 102 angeordnete Strahlungsquelle 104a) oder eine externe Strahlungsquelle (z.B. einen Laser), der außerhalb des Halbleitersubstrats 102 angeordnet ist (d.h. eine getrennte und in Wechselwirkung mit dem Silizium-Wellenleiter 110 stehende Komponente) .
Der Silizium-Wellenleiter 110 durchkreuzt das Wechselwirkungsvolumen 106, welches eine Probe 112 (z.B. eine Flüssigkeit, ein Gas, usw.) enthält, die analysiert werden soll. Der Silizium-Wellenleiter 110 eignet sich dazu, die Strahlung 114 vom Strahlungseinlasskanal 104 zum Strahlungsauslasskanal 108 mit einem geringen Grad an Dämpfung zu übertragen. Da die Strahlung 114 durch das Wechselwirkungsgebiet übertragen wird, wechselwirkt sie mit der Probe 112, was zu einer Dämpfung führt, welche bei bestimmten Wellenlängen ausgeprägt ist. Während die Strahlung 114 mit der Probe 112 in Wechselwirkung ist, ändert sich das Spektrum der Strahlung 114, was zu einer gedämpften Strahlung 114' führt, welche ein Spektrum aufweist, das eine oder mehrere Eigenschaften der Probe 112 definiert.
Der Strahlungsauslasskanal 108 eignet sich dazu, Infrarot (IR)-Strahlung vom Silizium-Wellenleiter 110 zum Strahlungsdetektor 108a zu koppeln. In einigen Ausführungsformen weist der Strahlungsdetektor 108a einen in das Halbleitersubstrat 102 integrierten Strahlungsdetektor auf, während der Strahlungsdetektor 108a in anderen Ausführungsformen einen externen Strahlungsdetektor aufweist. Der Strahlungsdetektor 108a ist geeignet, die gedämpfte Strahlung 114' zu empfangen und hieraus eine oder mehrere Eigenschaften zu messen. Beispielsweise eignet sich der Strahlungsdetektor 108a in einigen Ausführungsformen dazu, die Intensität der gedämpften Strahlung 114' zu messen. Durch Messung der Intensität der gedämpften Strahlung 114' kann der Strahlungsdetektor 108a eine oder mehrere Eigenschaften der Probe 112 aus der Dämpfung bei bestimmten Frequenzen bestimmen.
1B zeigt ein Blockdiagramm in einer Querschnittsansicht 116 entlang einer ersten Richtung des IR-Sensors von 1A.
Wie in der Querschnittsansicht 116 dargestellt ist, weist der IR-Sensor ein Halbleitersubstrat 102 auf. In einigen Ausführungsformen umfasst das Halbleitersubstrat 102 ein kristallines Silizium-Substrat (z.B. mit einer <100> Kristallausrichtung), das optional eine n-Typ oder p-Typ Dotierstoffkonzentration aufweist. Eine Pufferschicht 120 ist oberhalb des Halbleitersubstrats 102 angeordnet. Der Silizium-Wellenleiter 110 ist innerhalb einer Siliziumschicht 122 ausgebildet, welche oberhalb der Pufferschicht 120 angeordnet ist. Die Pufferschicht 120 ist positioniert, um das Halbleitersubstrat 102 von dem Silizium-Wellenleiter 110 zu trennen. Beispielsweise ist die Pufferschicht 120 in einigen Ausführungsformen unterhalb der Siliziumschicht 122 positioniert, welche den Silizium-Wellenleiter 110 in einem Bereich aufweist, der sich entlang einer Länge des Silizium-Wellenleiters 110 von dem Strahlungseinlasskanal 104 zum Strahlungsauslasskanal 108 erstreckt.
Die Pufferschicht 120 weist ein Material auf, das einen vom Halbleitersubstrat 102 verschiedenen (z.B. größeren) Brechungsindex aufweist. Beispielsweise kann die Pufferschicht 120 in einigen Ausführungsformen eine Siliziumnitrid (z.B. SiN₃)-Schicht (n=1,98) aufweisen oder eine amorphe Kohlenstoffschicht (n≅2,3) mit einem kleineren Brechungsindex als ein Siliziumsubstrat (n=3,45079). Der Unterschied in den Brechungsindizes von Pufferschicht 120 und Halbleitersubstrat 102 ermöglicht eine optische Isolierung zwischen dem Silizium-Wellenleiter 110 und dem darunterliegenden Halbleitersubstrat 102. In einigen Ausführungsformen weist die Pufferschicht 120 eine einzelne Schicht auf, während die Pufferschicht 120 in anderen Ausführungsformen mehrere Schichten unterschiedlichen Materials (z.B. zwei verschiedene Materialien) aufweist, welche durch Interferenzeffekte eine optische Isolation bei bestimmten Wellenlängen erzielen. In einigen Ausführungsformen kann das Halbleitersubstrat 102 eine oder mehrere Rückseitenaussparungen aufweisen, um die optische Isolation zwischen dem Silizium-Wellenleiter 110 und dem Halbleitersubstrat 102 zu verbessern. Die Rückseitenaussparungen weisen Gebiete unterhalb des Silizium-Wellenleiters 110 auf, in denen das Siliziumsubstrat 202 entfernt wurde, worauf weiter unten detaillierter eingegangen wird.
Eine optische Isolation des Silizium-Wellenleiters 110 vom Halbleitersubstrat 102 hindert die durch den Silizium-Wellenleiter 110 geführte Strahlung 114 daran, in das Halbleitersubstrat 102 einzudringen und eine Fehlfunktion des IR-Sensors zu verursachen (z.B. falls das Halbleitersubstrat 102 ein Silizium-Substrat aufweist würde die Strahlung 114 frei vom Silizium-Wellenleiter 110 ins Siliziumsubstrat wandern und den Silizium-Wellenleiter 110 an einem ordnungsgemäßen Betrieb hindern).
1C zeigt ein Blockdiagramm in Querschnittsansicht 118 entlang einer zweiten Richtung des IR-Sensors von 1A. Obgleich die Querschnittsansicht 118 den Silizium-Wellenleiter 110 als Wellenleiter vom Rippentyp darstellt, der auf der Pufferschicht 120 angeordnet ist, sei darauf hingewiesen, dass der Silizium-Wellenleiter 110 nicht auf eine derartige Wellenleiterstruktur beschränkt ist. Beispielsweise kann der Silizium-Wellenleiter 110 in anderen Ausführungsformen einen photonischen Kristall-Wellenleiter aufweisen, der innerhalb einer Siliziumschicht ausgebildet ist. Obgleich der Silizium-Wellenleiter 110 mit einem im Wesentlichen quadratischen Querschnitt dargestellt ist, ist dieser nicht auf eine solche Querschnittsform beschränkt.
Wie in der Querschnittsansicht 118 dargestellt ist, sind eine oder mehrere Oberflächen des Silizium-Wellenleiters 110 einer Umgebung ausgesetzt. Indem die eine oder mehreren Oberflächen des Silizium-Wellenleiters 110 einer Umgebung ausgesetzt werden, steht die Probe 112 in direktem Kontakt mit dem Silizium-Wellenleiter 110. Während die Strahlung 114 generell innerhalb des Silizium-Wellenleiters 110 enthalten ist, erstreckt sich ein geringes abklingendes Feld der Strahlung 114 vom Silizium-Wellenleiter 110 nach außen in einen Bereich um den Silizium-Wellenleiter 110. Das abklingende Feld wechselwirkt mit der Probe 112, welche die Strahlung 114 mit einem bestimmten Spektralprofil innerhalb des abklingenden Feldes absorbiert, so dass die gedämpfte Strahlung 114', welche am Strahlungsdetektor 108a empfangen wird, ein Spektrum aufweist, das auf eine oder mehrere Eigenschaften der Probe 112 hinweist.
2 ist eine Querschnittsansicht 200 weiterer Ausführungsformen eines IR-Sensors mit einer Infrarot-Strahlung (IR)-Quelle 206 und einem IR-Detektor 210, die in einem Silizium-Wellenleiter 204 integriert sind. Die IR-Quelle 206 und der IR-Detektor 210 sind entlang einer Ebene angeordnet, die sich entlang der Länge des Silizium-Wellenleiters 204 erstreckt, wodurch eine einfache Herstellung des IR-Sensors auf einem einzelnen integrierten Chip ermöglicht wird.
In einigen Ausführungsformen weist die IR-Quelle 206 ein resistives Element auf. In verschiedenen Ausführungsformen kann das resistive Element einen Polysilizium-Widerstand aufweisen, einen Dünnfilmtransistor, oder andere ähnliche resistive Elemente. Das resistive Element eignet sich dazu, einen Strom von einer Stromquelle (nicht gezeigt) zu empfangen. Wenn der Strom durch das resistive Element fließt, wird thermische Energie vom resistiven Element als Breitbandinfrarotspektrum dissipiert. In einigen Ausführungsformen ist ein Filterelement zwischen dem resistiven Element und dem Silizium-Wellenleiter 204 angeordnet, um das Breitbandinfrarotspektrum in einer Weise zu filtern, das ein Schmalbandinfrarotspektrum entsteht, das durch den Silizium-Wellenleiter 204 übertragen wird. In einigen Ausführungsformen weist das Filterelement einen photonischen Kristall-Wellenleiter auf, der geeignet ist, die von dem resistiven Element emittierte Breitbandstrahlung zu filtern.
In einer Ausführungsform weist das resistive Element einen Diffusionswiderstand mit einem dotierten Gebiet 208 von einem ersten Dotiertyp auf, das innerhalb eines Substrates von einem zweiten Dotiertyp ausgebildet ist. In einigen Ausführungsformen weist das dotierte Gebiet 208 des Diffusionswiderstands eine p-Typ Wanne auf, die innerhalb eines n-Typ Silizium-Wellenleiters angeordnet ist. In anderen Ausführungsformen ist das dotierte Gebiet 208 des Diffusionswiderstandes in das Substrat an einer Stelle integriert, die außerhalb der Ebene des Silizium-Wellenleiters 204 liegt.
Die von dem resistiven Element erzeugte IR-Strahlung wird vom Silizium-Wellenleiter 204 von der IR-Quelle 206 bis zu dem innerhalb des Silizium-Wellenleiters 204 integrierten IR-Detektor 210 übertragen. In einigen Ausführungsformen weist der IR-Detektor 210 eine pin-Diode auf. Die pin-Diode kann eine horizontale pin-Diode aufweisen mit einem ersten dotierten Gebiet 212 von einem ersten Dotiertyp (z.B. p-Typ) und mit einem zweiten dotierten Gebiet (214) von einem zweiten Dotiertyp (z.B. n-Typ). Alternativ kann die pin-Diode eine vertikale pin-Diode aufweisen mit einer unteren p-Schicht, welche durch Bor-Dotierung des Silizium-Wellenleiters 204 ausgebildet ist, mit einer oberen n-Schicht, welche durch Antimon-Dotierung des Silizium-Wellenleiters 204 ausgebildet ist und mit einer Germanium Quanten-Punkte und undotiertes Silizium aufweisenden aktiven intrinsischen Schicht.
3A zeigt eine Querschnittsansicht weiterer Ausführungsformen eines IR-Sensors mit einer IR-Quelle 206 und einem IR-Detektor 210, die in einem Silizium-Wellenleiter 204 integriert sind.
Der Silizium-Wellenleiter 204 weist eine Kopplungsstruktur 302 auf, die zwischen der IR-Quelle 206 und dem Wechselwirkungsvolumen 106 positioniert ist. Die Kopplungsstruktur 302 kann ein Material aufweisen, das einen Brechungsindex hat, welcher optimiert ist, um eine effiziente Kopplung der Infrarotstrahlung von der IR-Quelle 206 in den Silizium-Wellenleiter 204 zu erreichen. Der gewählte Brechungsindex ermöglicht es der von der IR-Quelle 206 emittierten Strahlung effizient in das Wechselwirkungsvolumen 106 übertragen zu werden, während eine thermische Isolation hergestellt wird, die eine Wärmeleitung zum Wechselwirkungsvolumen 106 verhindert. In einigen Ausführungsformen kann die Kopplungsstruktur 302 ein Bereich aus Luft oder Vakuum aufweisen.
Obwohl die Kopplungsstruktur 302 mit einem IR-Sensor dargestellt ist, der eine in einem Silizium-Wellenleiter 204 integrierte IR-Quelle 206 aufweist, sei darauf hingewiesen, dass die Kopplungsstruktur 302 in anderen Ausführungsformen in einem IR-Sensor implementiert sein kann, der eine IR-Quelle aufweist, die in naher Umgebung zu einem Silizium-Wellenleiter 204 platziert ist (z.B. außerhalb der Ebene des Wellenleiters) .
In einigen Ausführungsformen weist die Kopplungsstruktur 302 eine Mehrzahl einzelner Schichten auf, die zwei oder mehr unterschiedliche Materialien aufweisen. Beispielsweise zeigt die 3B eine Querschnittsansicht 304 eines IR-Sensors mit einer Kopplungsstruktur 302, die eine Mehrzahl einzelner Schichten 302a, 302b und 302c aufweist, welche sich von einer Oberseite des Silizium-Wellenleiters 204 zur darunterliegenden Pufferschicht 120 erstrecken. In derartigen Ausführungsformen erzeugen die einzelnen Schichten 302a, 302b und 302c der Kopplungsstruktur 302 Interferenz in der von der IR-Quelle 206 erzeugten Strahlung, was zu einer optischen Impedanz-Anpassung zwischen der IR-Quelle 206 und dem Silizium-Wellenleiter 204 führt.
4 zeigt eine Querschnittsansicht 400 weiterer beispielhafter Ausgestaltungsformen des IR-Sensors mit einer integrierten IR-Quelle 402 und einem integrierten IR-Detektor 404, welche außerhalb der Ebene eines Silizium-Wellenleiters 406 angeordnet sind.
Die IR-Quelle 402 eignet sich dazu, ein elektromagnetisches Feld 408 mit einem maßgeblichen Infrarotspektrum zu erzeugen, z.B. ein elektromagnetisches Feld mit einer Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich von näherungsweise 2 µm bis näherungsweise 25 µm oder im nahen Infrarotbereich von näherungsweise 750 nm bis 1 mm. Ein IR-Spektrum des elektromagnetischen Feldes 408 ist durch ein erstes Kopplungselement 410 mit dem Silizium-Wellenleiter 406 gekoppelt, das an einem ersten Ende des Silizium-Wellenleiters 406 angeordnet ist. Das erste Kopplungselement 410 eignet sich dazu, das elektromagnetische Feld 408 in IR-Strahlung zu wandeln, wobei die IR-Strahlung eine geführte Mode aufweist, die durch den Silizium-Wellenleiter 406 geführt wird. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen weist das erste Kopplungselement 410 ein Gitterkopplungselement mit einer Mehrzahl von in einer Oberseite des Silizium-Wellenleiters 406 periodisch angeordneten Aussparungen auf. In anderen beispielhaften Ausgestaltungsformen kann das erste Kopplungselement 410 beispielsweise ein Prisma aufweisen, das dazu geeignet ist, IR-Strahlung in den Silizium-Wellenleiter 406 zu koppeln.
In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen ist die IR-Quelle 402 entlang einer Rückseite des Siliziumsubstrats 202 angeordnet und steht in Wechselwirkung mit dem Silizium-Wellenleiter 406 durch eine erste Aussparung 412 in der Rückseite des Siliziumsubstrates 202. Die erste Aussparung 412 erstreckt sich vertikal von einer Rückseite des Siliziumsubstrates 202 zu einer Pufferschicht 120 und verbessert die Durchlässigkeit des elektromagnetischen Feldes 408 zum Silizium-Wellenleiter 406.
Um die gedämpfte IR-Strahlung zu messen, ist ein zweites Kopplungselement 416 an einem zweiten Ende des Silizium-Wellenleiters 406 gegenüberliegend zum ersten Ende platziert. Das zweite Kopplungselement 416 eignet sich dazu, die IR-Strahlung 414 aus dem Silizium-Wellenleiter 406 in Richtung des IR-Detektors 404 zu koppeln. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen ist der IR-Detektor 404 entlang einer Rückseite des Siliziumsubstrats 202 angeordnet und steht in Wechselwirkung mit dem Silizium-Wellenleiter 406 durch eine zweite Aussparung 418 in der Rückseite des Siliziumsubstrates 202. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen kann der IR-Detektor 404 unter einem Winkel in Bezug auf das zweite Kopplungselement 416 angeordnet sein, so dass eine winkelabhängige Kopplungscharakteristik des zweiten Kopplungselements 416 eine spektrale Trennung der IR-Strahlung 414 vornimmt.
5 ist eine dreidimensionale Darstellung 500 weiterer beispielhafter Ausgestaltungsformen eines IR-Sensors mit einem oder mehreren Silizium-Rippenwellenleitern 504.
Der eine oder die mehreren Silizium-Rippenwellenleiter 504 erstrecken sich über eine Oberseite einer Pufferschicht 120 (z.B. mit einer oder mehreren einzelnen Schichten), welche mit einem Siliziumsubstrat 202 mittels einer Adhäsionsschicht 502 (z.B. SiO₂) verbunden sein kann, wobei die Adhäsionsschicht geeignet ist, die Adhäsion zwischen der Pufferschicht und dem Siliziumsubstrat zu verbessern. Entsprechende Silizium-Rippenwellenleiter 504 weisen eine Silizium-Finne auf, die sich vertikal von einer Oberseite der Pufferschicht 120 nach außen erstreckt. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen ist der Silizium-Rippenwellenleiter 504 gewellt und weist eine Mehrzahl von Rippen 506 entlang einer Oberseite des Wellenleiters auf. Der gewellte Abschnitt des Wellenleiters weist ein Gitterkopplungselement auf, das eine Kopplung von IR-Strahlung in oder aus dem Silizium-Rippenwellenleiter 504 ermöglicht.
In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen weist der IR-Sensor eine Mehrzahl von Silizium-Rippenwellenleitern 504a und 504b auf, die parallel zueinander angeordnet sind und durch einen Abstand voneinander getrennt sind, der es den Wellenleitern ermöglicht, gleichzeitig mit einer Probe 112 in Wechselwirkung zu treten. Durch Erhöhung der Anzahl der Silizium-Rippenwellenleiter 504, die mit einer Probe 112 in Wechselwirkung stehen, wird die Empfindlichkeit des IR-Sensors erhöht. Beispielsweise wird ein IR-Sensor, der zwei Silizium-Rippenwellenleiter 504a und 504b aufweist, welche mit einer Probe 112 in Wechselwirkung stehen, eine größere Empfindlichkeit haben als ein IR-Sensor, der einen einzelnen Silizium-Rippenwellenleiter 504a oder 504b aufweist, welcher mit der Probe 112 in Wechselwirkung steht.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Abmessungen eines beschriebenen Wellenleiters den Betrieb des Wellenleiters steuern. Beispielsweise kann durch eine geeignete Einstellung einer Breite b oder einer Höhe h₁ eines Silizium-Rippenwellenleiters 504 ein gewünschter Spektralbereich des Wellenleiterbetriebs erzielt werden. Beispielsweise kann die Höhe h₁ eines Silizium-Rippenwellenleiters 504 angepasst werden, um die Empfindlichkeit des IR-Sensors einzustellen (z.B. sorgt eine geringere Höhe h₁ für eine stärkere Wechselwirkung des Abklingfeldes mit der Probe 112). Durch Variation der Abmessungen eines offenbarten Silizium-Wellenleiters kann ebenso die Wellenlänge der vom Wellenleiter emittierten Strahlung variiert werden. Soll beispielsweise eine Analyse einer Probe bei einer Wellenlänge einer MIR-Strahlung von ungefähr 5 µm erfolgen, kann hierzu ein Silizium-Rippenwellenleiter mit einer Breite von 2 µm und einer Höhe vom 600 nm für eine Betriebswellenlänge ausgebildet werden.
In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen werden die Abmessungen des beschriebenen IR-Sensors derart gewählt, dass der eine oder die mehreren Silizium-Rippenwellenleiter 504 einen Einzel-Mode Si Wellenleiter (WG) aufweisen, der eine transversale elektrische (TE) Mode und eine transversale magnetische (TM) Mode unterstützt (z.B. fundamentale Moden TE₀₀ und TM₀₀). Der Einzel-Mode Wellenleiter vermeidet Verluste aufgrund von Mängeln auf den Silizium-Wellenleiterwänden, welche eine Umverteilung der übertragenen Energie unter den verschiedenen Moden hervorrufen.
Die Erfinder haben erkannt, dass Verluste aus einem beschriebenen Silizium-Wellenreiter in ein darunterliegendes Siliziumsubstrat zu einer intrinsischen Dämpfung der IR-Strahlung in dem beschriebenen Silizium-Wellenleiter führen können, was zu schlecht isolierten Wellen führt. Um ein derartiges Entweichen zu verhindern und ein hohes Maß an Isolation zwischen einem beschriebenen Silizium-Wellenleiter und einem darunterliegenden Siliziumsubstrat zu erzielen, kann eine vergleichsweise dicke Pufferschicht verwendet werden. Jedoch können Prozessschwierigkeiten beim Ausbilden der Pufferschichten mit einer großen Dicke auftreten, z.B. größer als näherungsweise 1 µm.
Deshalb lässt sich in einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen eine optische Isolation zwischen der IR-Strahlung in einem beschriebenen Silizium-Wellenleiter und einem darunterliegenden Siliziumsubstrat herstellen, indem das Siliziumsubstrat unterhalb des Silizium-Wellenleiters entfernt wird. Beispielsweise zeigt 6 eine dreidimensionale Darstellung 600 weiterer beispielhafter Ausgestaltungsformen eines IR-Sensors mit einem oder mehreren Silizium-Rippenwellenleitern 602.
Die Silizium-Rippenwellenleiter 602 sind auf einer Oberseite eines Substrats angeordnet, das ein Siliziumsubstrat 202 und eine Adhäsionsschicht 502 aufweist. Eine Rückseite des Substrats gegenüber der Oberseite weist eine oder mehrere Rückseitenaussparungen 604 auf, die unterhalb eines Silizium-Rippenwellenleiters 602 positioniert sind. Die eine oder mehreren Rückseitenaussparungen erstrecken sich vertikal von einer Rückseite des Substrates zu einer Pufferschicht 120 unterhalb des Silizium-Rippenwellenleiters 602. Die eine oder mehreren Rückseitenaussparungen 604 unterhalb des Silizium-Rippenwellenleiters 602 sorgen dafür, dass die Silizium-Rippenwellenleiter von einer dünnen Membran, die die Pufferschicht 120 aufweist, gestützt werden. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen weist die dünne Membran eine Pufferschicht 120 aus einem einzelnen Material mit einem im Vergleich zum Wellenleiter (z.B. Silizium) geringeren Brechungsindex auf. Beispielswiese weist die dünne Membran in einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen eine Si₃N₄ Membran mit niedrigem Brechungsindex auf.
In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen erstrecken sich die eine oder mehreren Rückseitenaussparungen 606 lateral entlang der Rückseite des Siliziumsubstrates 202 in eine Richtung, die parallel verläuft zum Silizium-Rippenwellenleiter 602. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen erstreckt sich eine einzelne Rückseitenaussparung entlang einer Länge des Silizium-Rippenwellenleiters 602, während sich in anderen beispielhaften Ausgestaltungsformen eine Serie von Rückseitenaussparungen entlang einer Länge des Silizium-Rippenwellenleiters 602 erstreckt. Eine derartige Ausrichtung der Rückseitenaussparungen 604 entfernt das Siliziumsubstrat 202 im Wesentlichen unterhalb des Silizium-Rippenwellenleiters 602, wodurch eine effiziente Ausbreitung der IR-Strahlung entlang des Wellenleiters durch Unterdrückung einer Dämpfung der IR-Strahlung durch das Siliziumsubstrat 202 hergestellt wird.
7A, 7B zeigen beispielhafte Ausgestaltungsformen in Draufsichten 700 und 706 auf eine Rückseite des Siliziumsubstrats. Wie in der Draufsicht 700 in 7A gezeigt ist, weisen die Rückseitenaussparungen innerhalb des Substrats im Wesentlichen quadratische Aussparungen 702 in der Rückseite des Siliziumsubstrats 202 auf. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen sind die quadratischen Aussparungen 702 so ausgerichtet, dass sie eine Serie von quadratischen Aussparungen 702a-702d ausbilden, die sich entlang einer Länge des Silizium-Rippenwellenleiters 602a erstrecken. In einer derartigen beispielhaften Ausgestaltungsform bilden nicht-geätzte Bereiche zwischen benachbarten quadratischen Aussparungen 702 Siliziumstrahlen 704, die eine strukturelle Stütze für die dünne Membran unterhalb des Silizium-Rippenwellenleiters 602 bilden. In verschiedenen beispielhaften Ausgestaltungsformen können die Siliziumstrahlen 704 eine Dicke aufweisen, die einer Dicke des Siliziumsubstrats 202 entspricht oder eine Dicke, die kleiner ist als die Dicke des Siliziumsubstrats 202 (d.h. eine Dicke, die kleiner ist als die der Aussparung 702).
In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen können die Rückseitenaussparungen hexagonale Rückseitenaussparungen (mit einer hexagonalen Form) aufweisen, wie dies in der Draufsicht 706 von 7B gezeigt ist. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen sind die hexagonalen Aussparungen 708 so angeordnet, dass sie eine Serie hexagonaler Aussparungen 708a-708d bilden, die sich entlang einer Länge der Silizium-Rippenwellenleiters 602a erstrecken. In einer derartigen beispielhaften Ausgestaltungsform bilden nicht-geätzte Bereiche zwischen benachbarten hexagonalen Aussparungen 708 Siliziumstrahlen 710, die eine strukturelle Stütze für die dünne Membran unterhalb des Silizium-Rippenwellenleiters 602a bilden. In verschiedenen beispielhaften Ausgestaltungsformen können die Siliziumstrahlen 710 eine Dicke aufweisen, die der Dicke des Siliziumsubstrates 202 entspricht, oder eine Dicke, die kleiner ist als die Dicke des Siliziumsubstrats 202. Die hexagonalen Aussparungen 708 stellen eine größere strukturelle Stütze der den Silizium-Rippenwellenleiter 602a stützenden Membran dar als eine einzelne Rückseitenaussparung, die sich entlang einer Länge des Wellenleiters erstreckt oder als eine Serie quadratischer Rückseitenaussparungen, die sich entlang einer Länge des Wellenleiters erstrecken (z.B. wie in 7A gezeigt) .
In weiteren beispielhaften Ausgestaltungsformen kann ein Gebiet des Halbleitersubstrats unterhalb des beschriebenen Silizium-Wellenleiters eine Mehrzahl von Rückseitenaussparungen aufweisen, die eine periodische Perforierung aus Mikro-Aussparungen umfassen. Beispielsweise kann das unterhalb des beschriebenen Silizium-Wellenleiters angeordnete Gebiet des Halbleitersubstrats durch runde Löcher perforiert sein, die eine Anordnung von Mikro-Aussparungen darstellen, welche periodisch entlang der Rückseite des Halbleitersubstrates angeordnet sind. Die Mikro-Aussparungen weisen einen Durchmesser auf, der kleiner ist als eine Breite des Silizium-Wellenleiters, so dass mehr als eine Mikro-Aussparung entlang einer Breite des Silizium-Wellenleiters positioniert sein kann. Die Mikro-Aussparungen weisen eine Tiefe auf, die sich von einer Rückseite des Halbleitersubstrates zur Pufferschicht erstreckt, wodurch das Siliziumsubstrat unterhalb des Silizium-Wellenleiters entfernt wird. Durch Entfernen des Siliziumsubstrates unterhalb des Silizium-Wellenleiters vermindern die Mikro-Aussparungen das Entweichen von Strahlung aus dem Silizium-Wellenleiter ins Halbleitersubstrat.
8 zeigt eine Querschnittsansicht 800 weiterer beispielhafter Ausgestaltungsformen eines IR-Sensors mit einer Pufferschicht 120, die eine Mehrzahl dielektrischer Schichten 804, 810 zwischen einem Silizium-Wellenleiter 802 und einem darunter liegenden Siliziumsubstrat 202 aufweist. Die Mehrzahl von dielektrischen Schichten 804-810 eignet sich zur Bereitstellung eines hohen Maßes an optischer Isolation zwischen dem Silizium-Wellenleiter 802 und dem Siliziumsubstrat 202. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen sind die mehreren dielektrischen Schichten 804-810 übereinander angeordnet, so dass die mehreren dielektrischen Schichten 804-810 mehrere Grenzflächen ausbilden, an denen sich unterschiedliche Brechungsindizes treffen. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen sind die mehreren dielektrischen Schichten 804-810 so gewählt, dass die Dicken und Brechungsindizes aufweisen, die einen Bragg-Spiegel (d.h. einen dielektrischen Spiegel) ausbilden, welcher IR-Strahlung daran hindert, aus dem Silizium-Wellenleiter 802 das Siliziumsubstrat 202 zu erreichen.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Material und/oder die Dicke entsprechender dielektrischer Schichten 804-810 abhängig vom Grad der Reflexion und/oder einer Wellenlänge der zu reflektierenden Strahlung variieren kann. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen können die mehreren dielektrischen Schichten 804-810 so gewählt sein, dass sie ein schmales Strahlungsband reflektieren, dass der Strahlung entspricht, die im Silizium-Wellenleiter 802 vorliegt. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen können die mehreren dielektrischen Schichten 804-810 beispielsweise eines oder mehrere der Materialien Magnesiumfluorid oder Siliziumdioxid aufweisen.
9A zeigt eine Draufsicht 900 auf beispielhafte Ausgestaltungsformen eines IR-Sensors mit einem oder mehreren photonischen Kristall-Wellenleitern.
Die photonischen Kristall-Wellenleiter weisen eine Mehrzahl von Aussparungen 906 in einer Siliziumschicht 902 auf einem Halbleitersubstrat auf. Die Aussparungen 906 sind lateral entlang gegenüberliegender Seiten eines photonischen Kristall-Wellenleitergebiets 904 entlang einer Länge des sich zwischen einer IR-Quelle 908 und eines IR-Detektors 910 erstreckenden Wellenleiters angeordnet. In verschiedenen beispielhaften Ausgestaltungsformen können die Aussparungen 906 kreisförmige Löcher in der Siliziumschicht 902 aufweisen, während die Aussparungen 906 in einer anderen beispielhaften Ausgestaltungsform weitere Formen in der Siliziumschicht 902 einnehmen können.
Die Aussparungen 906 sind derart angeordnet, dass sie es Wellenlängen außerhalb des IR-Spektrums ermöglichen, sich frei innerhalb der Siliziumschicht 902 zu bewegen, aber verhindern, dass Wellenlängen innerhalb des gewünschten Teils des IR-Spektrums sich außerhalb des photonischen Kristall-Wellenleitergebiets 904 ausbreiten. Falls die IR-Quelle 908 beispielsweise ein Breitbandsignal ausgibt, werden die Aussparungen 906 ein schmales Band der IR-Strahlung blockieren, so dass das schmale Band nicht nach links und rechts vom photonischen Kristall-Wellenleitergebiet 904 entweicht. Stattdessen wird das schmale Strahlungsband entlang des photonischen Kristall-Wellenleitergebiets 904 als IR-Strahlung 912 geführt. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen sind die Aussparungen 906 entsprechend einem periodischen Muster mit gleichbleibenden Abständen angeordnet.
In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen können die Aussparungen 906 dergestalt sein, dass sie ungewünschte Wellenlängen vom photonischen Kristall-Wellenleitergebiet 904 filtern, so dass eine Untermenge des Infrarotspektrums durch den Wellenleiter geführt wird. In weiteren beispielhaften Ausgestaltungsformen kann das photonische Kristall-Wellenleitergebiet 904 ein Kopplungselement aufweisen (z.B. ein Gitterkopplungselement), das geeignet ist, gewünschte Wellenlängen in den Wellenleiter zu koppeln. Das Kopplungselement kann verwendet werden, um das durch die Aussparungen 906 hervorgerufene Filtern zu verbessern.
9A zeigt eine Querschnittsansicht 914 weiterer beispielhafter Ausgestaltungsformen eines IR-Sensors mit einem oder mehreren photonischen Kristall-Wellenleitern.
Wie in der Querschnittsansicht 914 gezeigt ist, erstrecken sich die Aussparungen 906 von einer Oberseite der Siliziumschicht 902 in eine Tiefe d, welche eine Höhe des photonischen Kristall-Wellenleiters definiert. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen erstrecken sich die Aussparungen 906 von einer Oberseite der Siliziumschicht 902 zu einer darunter liegenden Pufferschicht 120. Die Probe 112 ist auf der Siliziumschicht 902 angeordnet, so dass die Probe in Kontakt mit einer Oberseite des photonischen Kristall-Wellenleiters steht. Zusätzlich kann die Probe 112 eine oder mehrere Aussparungen 906 füllen, um den Wellenleiter entlang einer oder mehrerer seiner Seiten zu kontaktieren. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen kann das Siliziumsubstrat 202 zudem eine oder mehrere wie oben beschriebene Rückseitenaussparungen aufweisen.
10 zeigt eine Draufsicht 1000 auf weitere beispielhafte Ausgestaltungsformen eines IR-Sensors mit einem photonischen Kristall-Wellenleiter. Der photonische Kristall-Wellenleiter weist eine oder mehrere Wellenleiteraussparungen 1004 innerhalb eines Wellenleitergebiets 1002 auf, das zwischen Aussparungen 906 entlang einer Länge des sich zwischen einer IR-Quelle 908 und einem IR-Detektor 910 erstreckenden Wellenleiters befindet. Die Wellenleiteraussparungen 1004 können so gestaltet sein, dass sie Abmessungen einnehmen, die dergestalt wirken, dass sie eine oder mehrere Führungseigenschaften (z.B. Ausbreitungsmoden) von IR-Strahlung 912, welche von der IR-Quelle 908 erzeugt werden, ändern/einstellen. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen können die Wellenleiteraussparungen 1004 zudem derart gestaltet sein, dass sie als Kopplungselement wirken, das die Kopplung von IR-Strahlung in das Wellenleitergebiet 1002 unterstützt.
In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen erstrecken sich die Wellenleiteraussparungen 1004 von einer Oberseite der Siliziumschicht 902 bis in eine Tiefe, die geringer ist als die der umgebenden Aussparungen 906. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen können die Wellenleiteraussparungen 1004 alternativ hierzu oder zusätzlich einen geringeren Radius aufweisen als die umgebenden Aussparungen 906. In einigen beispielhaften Ausgestaltungsformen sind die Aussparungen 906 innerhalb der Siliziumschicht 902 mit einem ersten periodischen Abstand positioniert, während Wellenleiteraussparungen 1004 in der Siliziumschicht 902 mit einem zweiten periodischen Abstand positioniert sind, wobei der zweite periodische Abstand größer ist als der erste periodische Abstand.
11 zeigt eine Draufsicht 1100 auf eine detailliertere beispielhafte Ausgestaltungsform eines IR-Sensors mit einem photonischen Kristall-Wellenleiter. Der photonische Kristall-Wellenleiter weist eine Mehrzahl von Aussparungen 1104 innerhalb einer Siliziumschicht 1102 auf, welche ein Wellenleitergebiet definieren, das geeignet ist, IR-Strahlung zu übertragen. Ein erstes Kopplungsgebiet 1106a ist an einem ersten Ende des Wellenleitergebiets angeordnet und ein zweites Kopplungsgebiet 1106b ist an einem zweiten Ende des Wellenleitergebiets angeordnet. Das erste Kopplungsgebiet 1106a weist eine Mehrzahl von Wellenleiteraussparungen 1108a auf, die kollektiv dazu geeignet sind, IR-Strahlung in das Wellenleitergebiet zu koppeln. Die Wellenleiteraussparungen 1108a sind in einem konischen Layout angeordnet, das eine geringere Breite in Richtung der Mitte des Wellenleitergebiets aufweist. Das konische Layout erleichtert die Kopplung von schräg oder normal einfallender IR-Strahlung und konzentriert eingesammelte Strahlung, die durch das Wellenleitergebiet übertragen wird. Das zweite Kopplungsgebiet 1106b weist eine Mehrzahl von Wellenleiteraussparungen 1108b auf, die gemeinsam geeignet sind, IR-Strahlung aus dem Wellenleitergebiet bereitzustellen. Die Wellenleiteraussparungen 1108b sind in einem konischen Layout angeordnet, das das erste Kopplungsgebiet wiederspiegelt (d.h. eine geringere Breite in Richtung der Mitte des Wellenleitergebiets aufweist) .
12 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 1200 zur Ausbildung eines IR-Sensors mit einem Silizium-Wellenleiter.
Obgleich das Verfahren 1200 als Abfolge von Vorgängen und Maßnahmen gezeigt und beschrieben ist, sei darauf hingewiesen, dass die dargestellte Abfolge derartiger Vorgänge oder Maßnahmen nicht beschränkend zu werten ist. Beispielsweise können einige Vorgänge in unterschiedlicher Reihenfolge und/oder gemeinsam mit weiteren Vorgängen oder Maßnahmen, außer den hierin gezeigten und/oder beschriebenen Vorgängen oder Maßnahmen, erfolgen. Zudem sind beispielsweise nicht alle dargestellten Vorgänge erforderlich, um einen oder mehrere Aspekte von Ausführungsformen oder beispielhaften Ausgestaltungsformen dieser Beschreibung umzusetzen. Ebenso können einer oder mehrere der hierin beschriebenen Vorgänge in einem oder in mehreren getrennten Vorgängen und/oder Phasen erfolgen.
Bei 1202 wird ein Halbleitersubstrat bereitgestellt. In einigen Ausführungsformen weist das Halbleitersubstrat ein Siliziumsubstrat auf (z.B. einkristallines Silizium mit einer <100> Ausrichtung). In verschiedenen Ausführungsformen kann das Siliziumsubstrat mit einer n-Typ oder p-Typ Dotierstoffkonzentration versehen sein oder auch undotiert sein. In weiteren Ausführungsformen kann das Halbleitersubstrat ein Siliziumsubstrat mit einer epitaktischen Schicht sein.
Bei 1204 wird eine Pufferschicht auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet. Die Pufferschicht kann auf dem Halbleitersubstrat mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (z.B. Verdampfung, Sputtern, usw.) ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Pufferschicht Siliziumnitrid oder eine amorphe Kohlenstoffschicht umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das Ausbilden der Pufferschicht ein aufeinanderfolgendes Abscheiden mehrerer dielektrischer Schichten (bei 1206) auf der Oberfläche des Substrats in solcher Weise umfassen, dass ein Bragg-Spiegel mit einer hohen Reflektivität für IR-Bestrahlung ausgebildet wird.
Bei 1208 wird ein Silizium-Wellenleiter oberhalb der Pufferschicht ausgebildet. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Silizium-Wellenleiter einen Silizium-Rippenwellenleiter oder einen photonischen Kristall-Wellenleiter umfassen.
In einigen Ausführungsformen wird der Silizium-Wellenleiter durch Ausbilden einer Siliziumschicht auf der Pufferschicht bei 1210 ausgebildet. Die Siliziumschicht kann durch Abscheiden einer Siliziumschicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung ausgebildet werden. Bei 1212 wird die Siliziumschicht selektiv maskiert. In einigen Ausführungsformen wird die Siliziumschicht selektiv maskiert durch Ausbilden einer ersten Maskenschicht, die eine oder mehrere Silizium-Wellenleiter definiert. In einer anderen Ausführungsform weist die erste Maskenschicht eine strukturierte Fotolackschicht auf, die auf der Oberfläche der Siliziumschicht durch einen Aufschleuderprozess ausgebildet wird. Der aufgeschleuderte Fotolack wird dann durch selektive Belichtung mit einer Lichtquelle (z.B. UV-Licht) und nachfolgende Entwicklung strukturiert. Bei 1214 wird die Siliziumschicht selektiv geätzt, um den Wellenleiter gemäß der ersten Maskenschicht auszubilden.
Bei 1216 wird eine IR-Quelle bereitgestellt, die in Wechselwirkung mit einem ersten Ende des Silizium-Wellenleiters ist. Die IR-Quelle eignet sich zur Emission von Strahlung einschließlich Strahlung im mittleren Infrarot (MIR) oder im nahen Infrarot gemäß Ausführungsformen. In einigen Ausführungsformen weist die IR-Quelle einen Diffusionswiderstand auf, der durch selektive Implantation eines Dotierstoffs in die Siliziumschicht ausgebildet wird (bei 1218). Der Dotierstoff kann ein p-Typ Dotierstoff (z.B. Bor, Gallium, usw.) oder n-Typ Dotierstoff (z.B. Phosphor, Arsen, usw.) sein. In einigen Ausführungsformen wird der n-Typ Dotierstoff in ein p-Typ Substrat mit einer Dosis im Bereich von näherungsweise 10¹²-10¹⁷ cm^-3 implantiert.
Bei 1220 wird ein IR-Detektor bereitgestellt, der in Wechselwirkung ist mit einem zweiten Ende des Silizium-Wellenleiters. In einigen Ausführungsformen weist der IR-Detektor eine pin-Diode auf, die durch selektive Implantation einer ersten und zweiten Wanne mit unterschiedlichen Dotierstofftypen ausgebildet wird (bei 1222).
Bei 1224 wird in einigen Ausführungsformen die Rückseite des Substrats selektiv maskiert mit einer Schutzschicht. Die Schutzschicht bildet eine Öffnung, welche unterhalb des Silizium-Wellenleiters angeordnet ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Schutzschicht eine Hartmaske umfassen (z.B. SiN), die einem ausgewählten Ätzprozess bei 1226 entspricht.
Bei 1226 wird die Rückseite des Substrats in einigen Ausführungsformen selektiv geätzt, um das Halbleitersubstrat unterhalb des Silizium-Wellenleiters zu entfernen. Das Halbleitersubstrat kann bis in eine Tiefe geätzt werden, die sich von der Rückseite des Halbleitersubstrats zur Pufferschicht erstreckt. In einigen Ausführungsformen wird die Rückseite des Halbleitersubstrats unter Verwendung eines tiefenreaktiven Ionenätzprozesses geätzt (z.B. eines Durchätzprozesses). In anderen Ausführungsformen wird das Substrat einem elektrochemisch-gesteuerten Ätzprozess (ECE) unterzogen, in welchem das Substrat in eine Ätzlösung getaucht ist (z.B. ein KOH Bad).
Es sei darauf hingewiesen, dass sich dem Fachmann äquivalente Abwandlungen und/oder Modifikationen nach Studieren und/oder Würdigung der Beschreibung und Abbildungen erschließen können. Die Offenbarung hierin umfasst alle derartigen Modifikationen und Abwandlungen und es ist nicht beabsichtigt, dass sie hierauf beschränkt wird. Obwohl die hierin enthaltenen Figuren beispielsweise mit einem bestimmten Dotierstofftyp gezeigt und beschrieben sind, sei darauf hingewiesen, dass andere Dotierstofftypen verwendet werden können.
Während ein hierin beschriebenes bestimmtes Merkmal oder ein bestimmter Aspekt möglicherweise nur im Zusammenhang mit einer von verschiedenen Implementierungen beschrieben wurde, lässt sich dieses Merkmal oder dieser Aspekt mit einem oder weiteren Merkmalen und/oder Aspekten weiterer Implementierungen kombinieren, sofern dies gewünscht ist. Sofern Ausdrücke wie „enthalten“, „haben“, „hat“, „mit“, und/oder Varianten hiervon verwendet werden, so sind diese Ausdrücke als offen zu verstehen - wie „aufweisen“. Ebenso ist „beispielsweise“ lediglich als ein Beispiel zu werten und nicht als das beste Beispiel. Es sei ebenso darauf hingewiesen, dass Merkmale, Schichten und/oder hierin gezeigte Elemente mit bestimmten Abmessungen und/oder Orientierungen relativ zueinander dargestellt sind für ein einfaches und schnelles Verständnis, und dass die tatsächlichen Abmessungen abweichen können.

Claims

Optoelektronischer Infrarot (IR)-Sensor, der aufweist: ein Halbleitersubstrat (202), das einen Silizium-Wellenleiter (110, 204) aufweist, der sich entlang einer Länge zwischen einem Strahlungseinlasskanal (104), der zur Einkopplung von Strahlung in den Silizium-Wellenleiter (110, 204) geeignet ist, und einem Strahlungsauslasskanal (108), der zur Auskopplung von Strahlung aus dem Silizium-Wellenleiter (110, 204) geeignet ist, erstreckt, eine Pufferschicht (120), die an eine Unterseite des Silizium-Wellenleiters (110, 204) zwischen dem Strahlungseinlasskanal (104) und dem Strahlungsauslasskanal (108) grenzt, wobei der Silizium-Wellenleiter (110, 204) geeignet ist, die Strahlung von dem Strahlungseinlasskanal (104) zum Strahlungsauslasskanal (108) in einer einzelnen Mode zu übertragen, so dass ein abklingendes Feld ausgebildet wird, das sich vom Silizium-Wellenleiter (110, 204) nach außen erstreckt zur Wechselwirkung mit einer Probe (112), und wobei der Optoelektronische Infrarot (IR)-Sensor zudem aufweist: eine Kopplungsstruktur (302) zur Kopplung von Strahlung einer Strahlungsquelle (104a, 206) in den Silizium-Wellenleiter (110, 204), wobei die Kopplungsstruktur (302) eine Mehrzahl einzelner Schichten (302a, 302b, 302c) mit unterschiedlichen Materialien aufweist, die sich von einer Oberseite des Silizium-Wellenleiters (104, 204) zur Pufferschicht (120) vertikal erstrecken und in einer entlang einer Länge des Silizium-Wellenleiters (104, 204) verlaufenden horizontalen Richtung gestapelt sind.
IR-Sensor nach Anspruch 1, zusätzlich aufweisend: eine Strahlungsquelle (104a, 206), die geeignet ist, die Strahlung zu erzeugen, welche in den Silizium-Wellenleiter (110, 204) an dem Strahlungseinlasskanal (104) koppelbar ist; und einen Strahlungsdetektor (210), der geeignet ist, eine oder mehr Eigenschaften der vom Silizium-Wellenleiter (110, 204) am Strahlungsauslasskanal (108) ausgekoppelten Strahlung zu messen.
IR-Sensor nach Anspruch 2, wobei der Strahlungsdetektor (210) eine PIN-Diode aufweist.
IR-Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Pufferschicht (120) zwischen dem Halbleitersubstrat (202) und dem Silizium-Wellenleiter (110, 204) positioniert ist, wobei die Pufferschicht (120) die Strahlung vom Halbleitersubstrat (202) optisch isoliert.
IR-Sensor nach Anspruch 4, wobei die Pufferschicht (120) eine Siliziumnitridschicht oder eine amorphe Kohlenstoffschicht aufweist.
IR-Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle (104a, 206) ein resistives Element aufweist, das innerhalb des Silizium-Wellenleiters (110, 204) ausgebildet ist.
IR-Sensor nach Anspruch 1, wobei der Silizium-Wellenleiter (110, 204) einen photonischen Kristall-Wellenleiter aufweist mit einer Mehrzahl von Aussparungen innerhalb einer auf der Pufferschicht (120) angeordneten Siliziumschicht, wobei die Mehrzahl von Aussparungen lateral an gegenüberliegenden Seiten eines photonischen Kristall-Wellenleitergebiets angeordnet sind und das photonische Kristall-Wellenleitergebiet geeignet ist, die Strahlung von der Strahlungsquelle zum Strahlungsdetektor zu übertragen.
IR-Sensor nach Anspruch 7, wobei der photonische Kristall-Wellenleiter eine oder mehrere Wellenleiter-Aussparungen aufweist, die entlang der Länge des photonischen Kristall-Wellenleitergebiets positioniert sind.