DE112021003486T5

DE112021003486T5 - Integrierter Detektor auf Fabry-Perot-Interferometer-System

Info

Publication number: DE112021003486T5
Application number: DE112021003486.3T
Authority: DE
Inventors: Javier MIGUEL SÁNCHEZ
Original assignee: Ams Sensors Singapore Pte Ltd
Current assignee: Ams Sensors Singapore Pte Ltd
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2023-04-27
Also published as: WO2022005392A1; US20230111949A1; GB2596537A; CN115023593A; GB202009903D0

Abstract

Ein optischer Sensor. Der optische Sensor umfasst ein Substrat und ein Fabry-Perot-Interferometer. Das Substrat ist aus einem Halbleiter gebildet. Das Fabry-Perot-Interferometer umfasst einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel und ist so auf dem Substrat angebracht, dass Licht durch das Interferometer auf das Substrat übertragen wird. Das Substrat ist so dotiert, dass ein Bereich des Substrats, auf den das Licht vom Interferometer übertragen wird, eine Fotodiode bildet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Komponenten. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf wellenlängendiskriminierende optische Sensoren, die Interferometer und Photodetektoren enthalten.
Hintergrund
Miniaturisierte optische Sensoren zur Wellenlängendiskriminierung bestehen häufig aus einem optischen Interferometer, das auf einem Substrat montiert ist, und einem Detektor, der sich unterhalb des Substrats befindet. Bei dem in gezeigten Detektor ist das Interferometer 101 beispielsweise ein Fabry-Perot-Interferometer (auch bekannt als Etalon), das einen oberen Spiegel 102, einen unteren Spiegel 103 und MEMS-Elemente (mikroelektromechanische Systeme) 104 umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie den Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Spiegel steuern. Das Interferometer ist auf einem Substrat 105 montiert, und das Licht, das sowohl vom Interferometer als auch vom Substrat durchgelassen wird, wird von einem Detektor 106 aufgenommen.
Es können weitere optische Komponenten (z. B. Linsen oder optische Filter) vorhanden sein, um den Lichteinfall in das Interferometer oder das durch das Substrat transmittierte Licht zu steuern. So können beispielsweise Linsen verwendet werden, um mehr Licht einzufangen, oder optische Filter, um unerwünschtes Licht (z. B. Spitzenwerte höherer Ordnung des Interferometers) herauszufiltern.
Dies bedeutet, dass der Sensor nur für Wellenlängen empfindlich sein kann, die vom Substrat nicht wesentlich absorbiert werden. Natürlich können auch Sensoren hergestellt werden, die diese Wellenlängen aufnehmen (z. B. durch ein Interferometer ohne Substrat), aber diese haben nicht die Stabilität, Kompaktheit und einfache Herstellung des in gezeigten Sensors. Wenn das Substrat ein Halbleiter ist, kann außerdem ein Großteil der Steuerelektronik für das Interferometer direkt auf dem Substrat implementiert werden (normalerweise in einem Bereich, in dem kein Licht durch das Interferometer übertragen wird).
Es besteht der Wunsch, kompaktere Detektoren und Detektoren bereitzustellen, die die Vorteile des Detektors von bieten, aber für zusätzliche Wellenlängen des Lichts empfindlich gemacht werden können.
Zusammenfassung
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein optischer Sensor bereitgestellt. Der optische Sensor umfasst ein Substrat und ein Fabry-Perot-Interferometer. Das Substrat ist aus einem Halbleiter gebildet. Das Fabry-Perot-Interferometer umfasst einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel und ist so auf dem Substrat angebracht, dass Licht durch das Interferometer auf das Substrat übertragen wird. Das Substrat ist so dotiert, dass ein Bereich des Substrats, auf den das Licht vom Interferometer übertragen wird, eine Fotodiode bildet.
Um eine zusätzliche Erfassung von Wellenlängen zu ermöglichen, die nicht durch das Substrat absorbiert werden, kann der optische Sensor außerdem einen optischen Detektor umfassen, der sich auf der dem Interferometer gegenüberliegenden Seite des Substrats befindet, wobei der optische Detektor für Wellenlängen empfindlich ist, die durch das Substrat hindurchgehen. In diesem Fall kann die Fotodiode für einen ersten Wellenlängenbereich und der optische Detektor für einen zweiten Wellenlängenbereich empfindlich sein, wobei der erste und der zweite Wellenlängenbereich jeweils einem anderen Modus des Interferometers entsprechen können.
Das Substrat kann dotiert werden, um eine Anordnung von Photodioden, z.B. Pixeln, zu bilden. Dies würde die Verwendung des Sensors in einer „Hyperspektralkamera“ ermöglichen.
Die Steuerelektronik für das Interferometer und/oder die Fotodiode kann in das Substrat integriert werden, so dass die gesamte Vorrichtung und das Steuergerät auf sehr kleinem Raum realisiert werden können. Zur Verringerung von Interferenzen kann die Steuerelektronik in Bereiche des Substrats integriert werden, die vom Licht, das durch das Interferometer fällt, nicht erreicht werden.
Das Substrat kann sich bis zu der der Fotodiode gegenüberliegenden Seite des Interferometers erstrecken und ein transparentes Element tragen, durch das Licht zum Interferometer gelangt. Der optische Sensor kann ein oder mehrere optische Elemente (z. B. eine Linse, einen Filter oder eine Maske) umfassen, die von dem Substrat auf der der Fotodiode gegenüberliegenden Seite des Interferometers getragen werden.
Das Interferometer kann ein einstellbares Interferometer sein, das MEMS-Komponenten umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel einstellen.
Figurenliste

ist eine schematische Darstellung eines optischen Sensors;
ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften optischen Sensors; ist eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften optischen Sensors;
zeigt den Wellenlängenbereich des Sensors aus ;
zeigt den wellenlängenabhängigen Reflexionsgrad eines ersten beispielhaften Interferometers;
zeigt den wellenlängenabhängigen Reflexionsgrad eines zweiten beispielhaften Interferometers;
zeigt Beispiele von Wellenlängen, die für die Spektroskopie von Interesse sind.

Ausführliche Beschreibung
Um einen kompakten Detektor mit den Vorteilen des Detektors von (wie in der Beschreibung beschrieben) und ohne den Nachteil, dass er nicht in der Lage ist, Licht zu erfassen, das vom Substrat absorbiert wird, bereitzustellen, wird in der folgenden Beschreibung eine verbesserte Konstruktion eines optischen Sensors vorgeschlagen.
Ein beispielhafter Aufbau ist in dargestellt. Der optische Sensor in umfasst ein Interferometer 210, das auf einem Substrat 220 angeordnet ist. Das Interferometer 210 umfasst einen oberen Spiegel 211 und einen unteren Spiegel 212, die so angeordnet sind, dass sie ein Fabry-Perot-Interferometer bilden, so dass das Licht durch das Interferometer auf das Substrat übertragen wird. Das Substrat 220 ist ein Halbleiter (z. B. Silizium) und umfasst einen dotierten Bereich 221, der zur Bildung einer Fotodiode dotiert ist. Dabei kann es sich um eine p-n-Dotierung, eine p-i-n-Dotierung oder eine andere Dotierung handeln, um eine Fotodiodenstruktur zu erreichen, wie sie in der Technik bekannt ist. Auch innerhalb des Substrats 220 können Kontakte 222 vorhanden sein, die das Auslesen des Signals der Fotodiode ermöglichen. Dies bietet die Robustheit und einfache Herstellung eines typischen Interferometers auf dem Substrat, macht es aber kompakter, da keine externe Fotodiode (oder ein anderer Detektor) erforderlich ist, und ermöglicht die Erfassung von Wellenlängen, die vom Substrat absorbiert würden.
Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel kann durch MEMS-Elemente 213 gesteuert werden, um einen abstimmbaren Wellenlängendetektor zu erhalten. Die im Substrat gebildete Fotodiode ist im Allgemeinen für Wellenlängen empfindlich, die kleiner als die Bandlücke des Halbleiters sind.
zeigt zwar eine einzelne Fotodiode, aber das ist nicht die einzige Möglichkeit. Durch Dotierung nur bestimmter Bereiche des Substrats kann eine Anordnung von Detektoren - z. B. als Pixel - gebildet werden, die eine räumliche Unterscheidung der Ausgänge ermöglicht. Mit einer geeigneten Optik vor dem Interferometer würde dies eine „Hyperspektralkamera“ bilden, d. h. eine Kamera, die mehrere Wellenlängen abtasten und ein Bild mit sehr tiefen Wellenlängeninformationen erstellen kann.
Weitere Schaltungen können im Halbleitersubstrat durch bekannte Halbleitertechniken implementiert werden, z. B. für die Steuerung der MEMS-Elemente 213 oder für die Erstverarbeitung der Ausgangssignale der Fotodiode(n). Auf diese Weise lässt sich ein sehr kompaktes Gerät bilden, das ein „Wafer-Level-Packaging“ ermöglicht, bei dem sich der gesamte Sensor (einschließlich Interferometer, Detektor und Steuerschaltungen) auf einem einzigen Silizium- (oder einem anderen Halbleiter-) Wafer befindet.
Ein Sekundärdetektor kann unterhalb des Substrats angebracht werden, wie in dargestellt. Der Hauptdetektor 301 entspricht dem in gezeigten. Der Sekundärdetektor 302 ist so angeordnet, dass er das durch das Substrat transmittierte Licht erfasst und für einen Wellenlängenbereich empfindlich ist, der vom Substrat nicht absorbiert wird. Dies kann ein Wellenlängenbereich sein, der an den des Hauptdetektors 301 angrenzt (z. B. um einen erweiterten Wellenlängenbereich zu schaffen, der über den hinausgeht, der mit dem Halbleitersubstrat allein erreicht werden kann). Alternativ kann es sich um einen nicht benachbarten Bereich handeln, z. B. so, dass der Hauptdetektor für einen optischen Modus des Interferometers empfindlich ist, während der Sekundärdetektor für einen anderen optischen Modus eingerichtet ist. „Optischer Modus des Interferometers“ bezieht sich auf die Ordnung 2d/λ, d. h. ein Interferometer mit einem bestimmten Abstand zwischen den Spiegeln überträgt eine Wellenlänge erster Ordnung λ (der „erste Modus“), eine Wellenlänge zweiter Ordnung 2λ („zweiter Modus“), eine Wellenlänge dritter Ordnung 3λ („dritter Modus“) usw., und die Detektoren können so abgestimmt werden, dass der Bereich jedes Detektors den Übertragungsbereich des Interferometers in einem anderen optischen Modus umfasst. Normalerweise arbeitet ein auf einem Substrat montiertes Fabry-Perot-Interferometer in der dritten oder höheren Ordnung, doch kann auch die erste oder zweite Ordnung verwendet werden, wenn der obere und der untere Spiegel aus Metall bestehen.
Wie in dargestellt, können die Wellenlängenbereiche für den Hauptdetektor 411 und den Sekundärdetektor 412 jeweils verschiedenen optischen Modi des Interferometers entsprechen. Im Betrieb erfasst der erste Detektor die Wellenlängen, die von der ersten optischen Betriebsart übertragen werden (maximale 413 und minimale 414 Übertragungsspitzen dargestellt), und der zweite Detektor erfasst die Wellenlängen, die von der zweiten optischen Betriebsart übertragen werden (maximale 415 und minimale 416 Übertragungsspitzen dargestellt).
Die Materialien des ersten und des zweiten Spiegels können so ausgewählt werden, dass sie eine gute Übertragung innerhalb der Wellenlängenbereiche des ersten und des zweiten Detektors gewährleisten. Für sichtbares Licht beispielsweise bieten Metallspiegel im Allgemeinen eine gute Durchlässigkeit. Im infrarotnahen Bereich bieten Spiegel, die aus abwechselnden Schichten zweier Materialien bestehen, von denen eines einen höheren Brechungsindex als das andere hat, eine gute Durchlässigkeit. Bei den Materialien kann es sich um Siliziumverbindungen handeln. zeigt beispielsweise die Reflexionskurve eines Interferometers mit Spiegeln, die aus abwechselnden Schichten aus Si₃ N₄ und SiO₂ bestehen, wobei der Hauptnutzungsbereich 501 zwischen 1300 und 1800 nm liegt (entsprechend dem optischen Modus 4^th für ein 400-450-nm-System). Im Gegensatz dazu zeigt die Reflexionskurve für ein Interferometer mit Spiegeln aus „Poly-Si“ und SiO₂, und der nutzbare Hauptbereich 601 ist erheblich größer - er reicht von etwa 1200 nm bis über 2000 nm. Darüber hinaus weisen beide und einen sekundären nutzbaren Bereich 502, 602 um 550 nm auf. Wenn diese Materialien in dem in beschriebenen Detektor verwendet werden, können der erste und der zweite Detektor beide Wellenlängenbereiche innerhalb des Hauptnutzbereichs haben, oder einer kann einen Wellenlängenbereich innerhalb des Hauptnutzbereichs haben und der andere einen Wellenlängenbereich innerhalb des zweiten Nutzbereichs.
Weitere Filter können entweder vor dem Interferometer oder zwischen dem Interferometer und den Detektoren eingesetzt werden, um Licht außerhalb der Wellenlängenbereiche der Detektoren zu blockieren (und damit Interferenzen zu verringern).
Ist ein Sekundärdetektor vorhanden, kann die Dotierung der Fotodiode begrenzt werden, um eine übermäßige Absorption durch die Fotodiode im Bereich des Sekundärdetektors zu vermeiden.
Für den oben beschriebenen Sensor gibt es viele mögliche Anwendungsfälle, ein besonderer Anwendungsfall ist die Spektroskopie. Bei der Erkennung bestimmter Spezies in der Spektroskopie hat jede Spezies einen charakteristischen Satz von „Obertönen“, d. h. Obertöne der Basis-Emissionswellenlänge der betreffenden Spezies. Die Beziehung zwischen der Grundwellenlänge und den Obertönen ist jedoch nicht rein harmonisch - mehrere Obertöne können stärker, schwächer, breiter oder schmaler sein als bei rein harmonischem Verhalten zu erwarten wäre. Das Beispiel in zeigt dies für mehrere Arten (jede Zeile des Diagramms entspricht einer Art oder einer Gruppe von eng verwandten Arten). Durch gleichzeitige Messung bei den entsprechenden Wellenlängen, z. B. im ersten und zweiten Obertonbereich, ist es daher möglich, genauer zu bestimmen, welche Arten in der Probe vorhanden sind.
Im Allgemeinen wird der Sensor aufgebaut, indem ein Halbleitersubstrat (z. B. Silizium) bereitgestellt wird, ein dotierter Bereich auf dem Substrat gebildet wird, um eine Fotodiode zu bilden, und das Interferometer auf der an die Fotodiode angrenzenden Fläche des Substrats bereitgestellt wird. Die „Bildung des dotierten Bereichs“ kann die Diffusion eines Dotierstoffs in das Substrat oder die Durchführung eines epitaktischen „Silizium-auf-Silizium“-Wachstumsverfahrens zur Bildung des dotierten Bereichs direkt auf dem Substrat umfassen. Die „Bereitstellung des Interferometers“ kann durch den Bau und die Anbringung des Interferometers erfolgen, oder, wenn die Materialien der Spiegel geeignet sind, durch ein epitaktisches Wachstumsverfahren zur Bildung des ersten und zweiten Spiegels und aller MEMS-Komponenten. Dies sind nur Beispiele für Konstruktionsmethoden, und gleichwertige Sensoren können auf verschiedene Weise hergestellt werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, darunter Spektroskopie, Näherungs- oder Flugzeitmessung, Farbmessung usw., z. B. in wissenschaftlichen Geräten, in der Sicherheitstechnik, in der Automatisierung, in der Lebensmitteltechnologie und in anderen Branchen.
Bezugszeichenliste

101: Interferometer
102: Spiegel oben
103: Unterer Spiegel
104: MEMS-Elemente
105: Substrat
106: Detektor
210: Interferometer
211: Oberer Spiegel
212: Unterer Spiegel
213: MEMS-Elemente
220: Substrat
221: Dotierter Bereich/Photodiode
222: Kontakte
301: Hauptmelder
302: Sekundärdetektor
411: Wellenlängenbereich des ersten Detektors
412: Wellenlängenbereich des zweiten Detektors
413: Maximale Übertragungsspitze des ersten Modus
414: Minimale Übertragungsspitze des ersten Modus
415: Maximale Übertragungsspitze des zweiten Modus
416: Minimale Übertragungsspitze des zweiten Modus
501: Nutzbarer Hauptbereich des Interferometers
502: Sekundär nutzbarer Bereich des Interferometers
601: Nutzbarer Hauptbereich des Interferometers
602: Sekundär nutzbarer Bereich des Interferometers

Der Fachmann wird verstehen, dass in der vorangehenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen Positionsbegriffe wie „oben“, „entlang“, „seitlich“ usw. unter Bezugnahme auf konzeptionelle Abbildungen, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, verwendet werden. Diese Begriffe werden der Einfachheit halber verwendet, sind aber nicht als einschränkend zu verstehen. Diese Begriffe sind daher so zu verstehen, dass sie sich auf ein Objekt beziehen, wenn es sich in einer Ausrichtung befindet, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist.
Obwohl die Offenbarung in Form von bevorzugten Ausführungsformen, wie oben dargelegt, beschrieben wurde, ist es zu verstehen, dass diese Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung dienen und dass die Ansprüche nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt sind. Der Fachmann kann im Hinblick auf die Offenbarung Modifikationen und Alternativen vornehmen, die in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Jedes Merkmal, das in der vorliegenden Beschreibung offenbart oder dargestellt ist, kann in jede beliebige Ausführungsform eingebaut werden, sei es allein oder in einer geeigneten Kombination mit einem anderen hier offengelegten oder dargestellten Merkmal.

Claims

Optischer Sensor, bestehend aus: ein Substrat (220), das aus einem Halbleiter besteht; ein Fabry-Perot-Interferometer (210), das einen ersten Spiegel (211) und einen zweiten Spiegel (212) umfasst und so auf dem Substrat angeordnet ist, dass Licht durch das Interferometer auf das Substrat übertragen wird; wobei das Substrat so dotiert ist, dass ein Bereich (221) des Substrats, zu dem Licht durch das Interferometer übertragen wird, eine Fotodiode bildet.
Optischer Sensor nach Anspruch 1, der einen optischen Detektor umfasst, der sich auf der dem Interferometer gegenüberliegenden Seite des Substrats befindet, wobei der optische Detektor für Wellenlängen empfindlich ist, die durch das Substrat übertragen werden.
Optischer Sensor nach Anspruch 2, wobei die Fotodiode für einen ersten Wellenlängenbereich empfindlich ist und der optische Detektor für einen zweiten Wellenlängenbereich empfindlich ist, und wobei der erste und der zweite Wellenlängenbereich jeweils einem anderen Modus des Interferometers entsprechen.
Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat dotiert ist, um eine Anordnung von Photodioden zu bilden.
Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerelektronik für das Interferometer und/oder die Photodiode in das Substrat integriert ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 5, bei dem die Steuerelektronik in Bereiche des Substrats integriert ist, die das durch das Interferometer hindurchgehende Licht nicht erreicht.
Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das Substrat bis zu der der Photodiode gegenüberliegenden Seite des Interferometers erstreckt und ein transparentes Element trägt, durch das Licht zum Interferometer gelangt.
Optischer Sensor nach Anspruch 7, der ein oder mehrere optische Elemente umfasst, die von dem Substrat auf der der Fotodiode gegenüberliegenden Seite des Interferometers getragen werden.
Optischer Sensor nach Anspruch 8, wobei die optischen Elemente eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen: eine Linse; einen Filter; eine Maske.
Optischer Sensor nach Anspruch 1, wobei das Interferometer ein einstellbares Interferometer ist, das MEMS-Komponenten umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel einstellen.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Sensors, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellung eines aus einem Halbleiter gebildeten Substrats; Dotierung eines Bereichs des Substrats zur Bildung einer Fotodiode, wobei der Bereich eine obere Fläche des Substrats einschließt; Anbringen eines Interferometers in der oberen Fläche, wobei das Interferometer einen ersten und einen zweiten Spiegel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, das das Verbinden von elektrischen Kontakten mit der Photodiode durch einen der folgenden Schritte umfasst: Ätzen des Substrats von der Oberseite her und Anbringen von elektrischen Kontakten an der Fotodiode durch die geätzten Bereiche; oder Ausbilden einer Vielzahl von Durchgangslöchern durch das Substrat und Anbringen von elektrischen Kontakten an der Fotodiode durch jedes Durchgangsloch.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Anordnen des Interferometers auf der Oberseite das Ausbilden des ersten und des zweiten Spiegels durch ein epitaktisches Wachstumsverfahren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, das die Bildung von MEMS-Komponenten umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel über einen epitaktischen Wachstumsprozess einstellen.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Dotierung eines Bereichs des Siliziums zur Bildung der Photodiode das Aufwachsen des dotierten Bereichs über einen epitaktischen Wachstumsprozess umfasst.