DE19515369B4

DE19515369B4 - Spektralselektive Photodiode mit diffraktiven Strukturen

Info

Publication number: DE19515369B4
Application number: DE19515369A
Authority: DE
Inventors: Volker Stock; Thomas Dr. Otto; Uwe Fritzsch
Original assignee: Colour Control Farbmeßtechnik GmbH; COLOUR CONTROL FARBMESTECHNIK
Current assignee: Colour Control Farbmeßtechnik GmbH; COLOUR CONTROL FARBMESTECHNIK
Priority date: 1995-05-02
Filing date: 1995-05-02
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2015-05-03
Also published as: DE19515369A1

Abstract

Verfahren zur spektralselektiven Beobachtung einer kollimierten elektromagnetischen Strahlung in einem oder mehreren Spektralbereichen, unter alleiniger Verwendung einer mittels Mikroelektronik-Standardtechnologien hergestellten, monolithisch integrierten Halbleiter-Photodiode vom Drift-Typ und Einrichtungen zur Messung bzw. Auswertung elektrischer Ladungen,
dadurch gekennzeichnet, daß
– die Oberfläche (1) der Photodiode (10; 11) mit der zu beobachtenden kollimierten elektromagnetischen Strahlung beaufschlagt wird,
– die elektromagnetische Strahlung durch von unmittelbar auf der Oberfläche (1) befindlichen diffraktiven Strukturen (2) derart beeinflußt wird, so daß sich im absorbierenden Halbleitervolumen (3; 5; 6; 7) mit eventuell ortsabhängiger Bandlücke eine orts- und wellenlängenabhängige Strahlungsintensitätsverteilung ausbildet,
– die durch Absorption der gebeugten elektromagnetischen Strahlung im Einflußbereich einer oder mehrerer Raumladungszonen (4; 41; 42) der Photodiode (10; 11) generierten Ladungsträger getrennt werden,
wobei wahlweise eine oder mehrere dieser Raumladungszonen (4; 41; 42) durch mindestens eine wahlweise angelegte Spannung in ihrer Lage und Größe gemeinsam und/oder getrennt variiert werden können,...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Strahlungsmeßtechnik insbesondere im sichtbaren und angrenzenden Bereich. Sie umfaßt alle Anwendungen in der Analyse- und Meßtechnik, in denen elektromagnetische Strahlung, insbesondere sichtbares Licht, innerhalb eines definierten Spektralbereichs gemessen und/oder auf ihre spektrale Zusammensetzung untersucht wird.
Bislang hinlänglich bekannte Verfahren zur spektralselektiven Beobachtung elektromagnetischer Strahlung mit Hilfe einer Photodiode beruhen im allgemeinen darauf, daß im Strahlengang zwischen der zu beobachtenden Strahlungsquelle und der Photodiode geeignete Bandpaßfilterelemente anordnet sind. Diese können sowohl extern oder auch unmittelbar auf der Halbleiteroberfläche der Photodiode angebracht sein und beispielsweise durch Interferenzschichten realisiert sein.
Eine andere allgemein bekannte Anordnung zur spektralselektiven Beobachtung elektromagnetischer Strahlung besteht im wesentlichen aus einer oder mehreren Photodioden, die bereits monochromatische Strahlung empfangen, welche durch externe Elemente wie Beugungsgitter, Prismen, Verlaufsinterferenzfilter räumlich separiert wurde.
Anordnungen zur Spektralanalyse auf der Basis mehrerer integrierter Photodioden mit jeweils verschiedenen, auf die Halbleiteroberfläche direkt aufgebrachten Bandpaß-und/oder Kantenfiltern sind ebenfalls hinlänglich bekannt.

US5227648A beschreibt ein Photodiodenarray, in dem jede einzelne Diode zwischen Distributed Bragg Reflektoren (DBR) im Inneren des Halbleiters und wellenlängenselektiven Reflektoren auf der Halbleiteroberfläche angeordnet ist. Eine elementspezifische Variation der DBR sowie der Reflektoren bewirken eine scharfe Abstimmung jeder Photodioden auf definierte Wellenlängen.

Diese Arrays bedürfen zu ihrer Herstellung einer aufwendigen Hybridtechnik, um genannte Filter auf die Oberfläche aufzubringen bzw. um die Filterparameter lateral zu variieren.

Die genannten Anordnungen nach dem Stand der Technik haben den Nachteil, daß Photodioden und externe dispersive und/oder modulierende optische Elemente mechanisch montiert und justiert werden müssen, bzw. daß variierte oder verlaufende Bandpaß- und/oder Kantenfilter zur Aufbringung auf eine gemeinsame Halbleiteroberfläche aufwendiger Hybridtechniken bedürfen.

Alternativ zeigt US3955082 eine Anordnung zur Strahlungsdetektion, in welcher die Raumladungszonen von Photodioden spannungsgesteuert ihre Absorptionsbandbreite variieren. Die erzielbare Wellenlängentrennschärfe ist jedoch abhängig von der Eindringtiefe der Strahlung von der Halbleiteroberfläche hin zur spannungsgesteuerten Raumladungszone, wobei das wellenlängenabhängige Intensitätsprofil vertikal exponentiell abnimmt. Jede Photodiode empfängt daher Strahlung aller Wellenlängen mit nur mäßiger Trennschärfe.

Eine Anordnung zur Konzentration der Strahlung einer Wellenlänge auf eine Photodiode mit Hilfe einer als Beugungsstruktur wirkenden integrierten Zonenplatte wird in US3569997 gezeigt. Zur Selektion verschiedener Wellenlängen muß ein laterales Array mit unterschiedlich abgestimmten Photodioden eingesetzt werden, da die Photodioden selbst ortsfeste Raumladungszonen aufweisen.

Es war daher Aufgabe der Erfindung, die Schwierigkeiten und Nachteile, die sich im Stand der Technik zeigen, zu beseitigen und eine ausschließlich mittels Standardtechnologien der Mikroelektronik herstellbare spektralselektive Photodiode anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen genannten Verfahren und Anordnungen. Bevorzugte Ausführungsformen und Variationen werden durch die Unteransprüche angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet vor allem, monolithische, durch alleinige Verwendung von einheitlichen Standardtechnologien preiswert herzustellende Halbleiterbauelemente zur Spektralanalyse zu benutzen. Grundsätzlich besteht keine Notwendigkeit zur Kalibration und/oder Justage im Anschluß an die Bauelementfertigung. Zudem besteht in einigen Ausführungsformen die Möglichkeit, durch einfache Variation äußerer elektronischer Parameter den zu beobachtbaren Spektralbereich an die konkreten Erfordernisse des jeweiligen Einsatzfalles anzupassen.

Aufbau und Wirkungsweise der Photodiode sollen nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert werden.
In den Zeichnungen zeigen
1: Schichtaufbau einer Photodiode mit Beugungsstruktur und einer Raumladungszone;
2: Beugungsstrukturen der Photodiodenoberfläche
3: Schichtaufbau einer Photodiode mit Schichtfolge Antireflexionsschicht/Beugungsstrukturen/Isolatorschicht/Halbleiterschicht1/Halbleiterschicht2 mit mehreren Raumladungszonen.
4: Wellenlängen-Tiefen-Diagramm der Ladungsträgergeneration
1 zeigt die schematische Anordnung einer Photodiode (10), bestehend aus einem Halbleiter (3) mit einem solchen Dotierungsprofil, daß in einer definierten Tiefe unter der Oberfläche (1) sich eine Raumladungszone (4) ausbildet. Direkt auf der Oberfläche (1) befinden sich diffraktive Strukturen (2) (Beugungsstrukturen), die ein Amplitudengitter bilden. Weiterhin besitzt die Photodiode (10) mit der Raumladungszone (4) elektrisch verbundene Kontakte (9). In einer bevorzugten Ausführung besteht die Photodiode (10) aus einem p⁺-Si-Substrat mit der Dotierung von ca. 10¹⁹/cm³ und einer epitaktisch aufgewachsenen ca. T=450nm dicken n^--Si-Schicht mit der Dotierung von etwa 10¹⁵/cm³. Diese Epitaxieschicht besitzt eine zusätzliche n⁺-Dotierung mit etwa 10²⁰/cm³ vollständig bis zur Substratobergrenze, ausgenommen ein Gebiet mit ca. 500nm Durchmesser. Die laterale Ausbildung der Beugungsstruktur (2) wird in 2a in der Draufsicht gezeigt. Die Beugungsstrukturen (2) werden aus dem Leitbahnmaterial Aluminium realisiert; die Gitterabstände der ca. 10 konzentrischen Gitterringe liegen in der Größenordnung um 200nm. Die Gitterringabstände r_i von einer Symmetrieachse berechnen sich zu r² = (i·λ/n_Si+ T)² – T²; z.B. mit einer vorgegebenen zu beobachtenden Wellenlänge λ=700nm. Eine zusätzliche radiale Verbindung dieser Gitterstrukturen dient zur Kontaktierung.
Anordnung und Verfahren arbeiten auf folgende Weise:
Durch den p⁺/n^--Übergang bildet sich in 450nm Tiefe von der Oberfläche (1) entfernt eine 500nm breite Raumladungszone (4) aus, welche sich vornehmlich in das n^--Gebiet ausdehnt. Eine auf die Oberfläche (1) lotrecht einfallende parallele Strahlung wird an den konzentrischen Beugungsstrukturen (2) derart gebeugt, daß sich im Halbleitervolumen (3) eine von Ort und Wellenlänge abhängige Intensitätsverteilung ausprägt. Aufgrund der definiert gestalteten Beugungsgittergeometrie bildet sich in der Tiefe von T=450nm auf der Symmetrieachse ein Intensitätsmaximum (Brennpunkt) für Strahlung der Wellenlänge λ=700nm aus; und somit auch ein Maximum der Absorption und Ladungsträgergeneration für die betreffende Wellenlänge. Eine an diesem Ort befindliche Raumladungszone (4) separiert die ihn ihrem Einflußbereich generierten Ladungsträger durch ihr elektrisches Feld und führt diese dem äußeren Abgriff (9) zu. Aus 4 ist ersichtlich, daß für Strahlung kürzerer Wellenlänge sich das entsprechende Intensitäts- und Ladungsträgergenerations-Maximum in größeren Tiefen T von der Oberfläche – außerhalb dieser Raumladungszone – ausbildet; für größere Wellenlängen liegt dieser Ort in geringeren Tiefen. Somit wird eine wellenlängenselektive Beobachtung von Strahlung gestattet.
In einer weiteren Ausführungsform nach 1 wird die Größe der Raumladungszone (4) durch eine über die äußeren Kontakte (9) angelegte Spannung beeinflußt. In mehreren Spannungsschritten U kann somit die Obergrenze der Raumladungszone (4) in den Tiefen t(U) variiert werden. Die Strahlungsanteile mit den größeren Wellenlängen λ(U), deren räumliche Beugungsintensitätsmaxima je nach Spannung ebenfalls durch die Raumladungszone (4) überstrichen werden, liefern einen zusätzlichen Beitrag ΔI(U) zum Photostrom I(U). Die Differenz von Photoströmen ΔI_λ = I(U_λ+ ΔU) – I(U_λ) ergibt dann den anteiligen Photostrom der zur Spannung U_λ zugehörigen Wellenlänge λ. Gleichzeitig ist diese Photostromdifferenz weitgehend von Offsetgrößen bereinigt.
Es ist vorteilhaft, Kontrollgrößen zur definierten Steuerung dieser Spannung U zu gewinnen, um eine eindeutige Zuordnung von Spannung und beobachtbarer Wellenlänge zu gewährleisten, unabhängig von äußeren Störeinflüssen. Die Photodiode (10) kann zusätzlich mit – eventuell gepulster – Strahlung mindestens einer definierten bekannten Wellenlänge beaufschlagt werden, um nachträglich Spannung U und Wellenlänge λ zuordnen zu können und/oder Triggersignale zur Spannungskorrektur zu gewinnen. Außerdem können somit Vergleichsgrößen für einen Intensitätsbezug der zu beobachtenden Strahlung ermittelt werden. Eine weitere Kontrollmöglichkeit liegt in der Gewinnung von Informationen über die Kapazität der Raumladungszone (4) und somit über deren räumliche Ausdehnung, indem der Spannung U über der Raumladungszone (4) eine Kleinsignal-Wechselspannung überlagert und der entsprechende Wechselstromanteil ausgewertet wird.
In 2 sind mehrere bevorzugte diffraktive Strukturen (2) dargestellt. Die ringförmigen Strukturen in 2a besitzen derartige radial abhängige Gitterabstände, daß, wie oben beschrieben, zumindest für eine bestimmte Wellenlänge ein in einer definierten Tiefe im Halbleiter gelegener Brennpunkt der betreffenden Strahlung entsteht. Die Gitterabstände sind zudem von der Art der Kollimation – ebene Wellen oder Kugelwellen – sowie vom Einfallswinkel der auftreffenden Strahlung abhängig. Zusätzlich können die ringförmigen Strukturen elektrisch leitend miteinander verbunden sein, um ebenfalls die Funktion einer Kontaktierung zu übernehmen. 2b zeigt eine entsprechende diffraktive Struktur, welche anstatt eines Brennpunkts eine in definierter Tiefe gelegene Brennlinie im Halbleiter für die jeweiligen Wellenlängen erzeugt. Eine laterale Kombination mehrer ähnlichgearteter Beugungsstrukturen zeigt 2c. Insbesondere sind hier die Gitterabstände solcherart ausgebildet, daß sich in einer bestimmten gemeinsamen Tiefe im Halbleiter lateral nebeneinander Brennpunkte verschiedener Wellenlängen ausbilden. Selbstverständlich können, wie in 2d für 4 linear angeordnete Zellen dargestellt, sich derartige Strukturen lateral – insbesondere zeilen- oder matrixförmig – wiederholen, um mit einer so erhaltenen gemeinsamen Beugungsstruktur eine bildlich aufgelöste spektrale Beobachtung mit einem monolithischen Bauelement zu realisieren.
Die Beugungsstrukturen (2) sind vorzugsweise lateral, d.h. auf ebener Bauelement-Oberfläche (1) angeordnet und sind nicht aus dieser Ebene heraus in die dritte Dimension gekrümmt. Sie können vollständig mit Standard-Technologien der Mikroelektronik im üblichen Herstellungsprozeß der Photodiode – vorzugsweise holographisch – erzeugt werden, sofern die geforderten Strukturbreiten in der Größenordnung um 200 nm beherrscht werden können.
Bevorzugte Ausführungsformen dieser Strukturen sind: Phasen- und Amplitudengitter, welche durch Ätzen von Gräben in die Substratoberfläche oder in auf ihr angeordnete weitere Halbleiterschichten hergestellt werden; Phasengitter durch auf die Halbleiteroberfläche aufgebrachte transparente dielektrische Strukturen; Phasengitter durch strukturell an der Substratoberfäche in das Substrat hinein oxidierten Halbleiter; Amplitudengitter aus absorbierendem Leitbahnmaterial (z.B. Aluminium) oder aus absorbierendem Photoresist. Weiterhin sind auch Kombinationen genannter Ausführungsformen möglich. Die Ausführungsform dieser Strukturen (2) sowie deren Profil- z.B. Sinus- oder Kastenprofil – bestimmt wellenlängenabhängig die den jeweiligen Beugungsordnungen zugeordneten Intensitätsanteile ("Gittereffizienz"). Ein direkt auf die diffraktiven Strukturen aufgebrachtes dielektrisches Antireflexions-Schichtsystem (15), welches auch aus einer Einzelschicht bestehen kann, erhöht die Quantenausbeute dieser Photodiode, eventuell auch nur selektiv für ausgewählte Spektralbereiche.
3 zeigt eine Anordnung einer Photodiode (11), bestehend aus einer zusammengehörigen Gruppe von Elementarphotodioden (12; 13) mit jeweils einer separat kontaktierbaren Raumladungszone (41; 42). Auf einem p⁺-Si-Substrat (5) mit der Dotierung von etwa 10¹⁹/cm³ ist eine aufgewachsene ca. 200nm dicke n^--Poly-Si-Schicht (6) mit etwa 10¹⁵/cm³ Dotierung und eine zweite aufgewachsene n^--a-Si:H-Schicht (7) der gleichen Dotierung und Dicke angeordnet. Zur Erzeugung von Raumladungszonen (41; 42) sind außerhalb von Gebieten mit ca. 500nm Durchmesser diese Schichten (6; 7) zusätzlich mit etwa 10²⁰/cm³ n⁺-dotiert. Die verbleibenden n--Gebiete sind durch einen in diese Schichten (6; 7) gemeinsam eingebrachte SiO2-Struktur (14) elektrisch voneinander isoliert; die elektrische Verbindung zu diesen Gebieten wird durch zugehörige Kontakte (9) in angrenzenden n⁺-Gebieten hergestellt. Es schließt sich außerhalb der Kontaktierungen (9) eine SiO2-Schicht (8) von ca. 800nm Dicke an, auf deren Oberfläche (1) die Beugungsstrukturen (2) entsprechend 2c, beispielsweise aus Photoresist, aufgebracht sind. Diese Strukturen (2) seien derart bemessen, daß die jeweiligen Symmetriezentren der Substrukturen über den n^--Gebieten liegen. Für die erste Raumladungszone (41) liegt der Brennpunkt der ersten Beugungssubstruktur für Strahlung einer kleinen Wellenlänge, z.B. λ=400nm, im entsprechenden n^--Gebiet der a-Si:H-Schicht (7); für die zweite Raumladungszone (42) liegt der Brennpunkt der zweiten Beugungssubstruktur für Strahlung einer größeren Wellenlänge, z.B. λ=800nm, im n^--Gebiet der Poly-Si-Schicht (6). Die Wirkungsweise dieses Aufbaus besteht darin, daß die SiO2-Schicht (8) eine große Fokal-Länge – zwischen Beugungsstruktur (2) und Brennpunkten – erlaubt, ohne daß Strahlung in dieser Schicht (8) absorbiert wird. Analog zu obigem ersten Ausführungsbeispiel entstehen separat spannungssteuerbare Raumladungszonen (41; 42) an den p⁺/n^--Übergängen. Die erste Raumladungszone (41) reicht aufgrund einer angelegten definierten Spannung bis in die a-Si:H-Schicht (7) und empfängt insbesondere die kurzwellige Strahlung. Die zweite Raumladungszone (42) erstreckt sich spannungsgesteuert nur innerhalb der Poly-Si-Schicht (6) und empfängt dort insbesondere langwellige Strahlung. Die spektralen Empsindlichkeiten dieser Elementarphotodioden (12; 13) lassen sich zudem durch unterschiedliche Spannungen variieren. Die besondere Funktion der Schichtfolge (6; 7) besteht in einer zusätzlichen abschirmenden Wirkung der a-Si:H-Schicht (7) für kurzwellige Strahlung mit Photonenenergien größer als 1.7eV, währenddessen langwellige Strahlung – mit Photonenenergien kleiner als 1.7eV – in der ersten Schicht (7) verhältnismäßig besonders gering absorbiert wird und somit für die Detektion in tiefergelegenen Brennpunkten in der Poly-Si-Schicht (6) zur Verfügungs steht, sofern die Photonenenergie größer als 1.1 eV beträgt. Zusätzlich erlaubt die Anordnung der SiO2-Schicht (8) Beugungsstrukturen mit Gitterabständen in der Größenordnung von 500nm.
In einer vereinfachten Ausführung ist die SiO2-Schicht (8) direkt auf dem Substrat (3) angeordnet; die Raumladungszonen (4; 41; 42) bilden sich in gleicher Tiefe aus – nahe der Substratoberfläche –, erzeugt durch die im ersten Ausführungsbeispiel angegebenen Dotierungsprofile.
Die Beobachtung von Strahlung in mehreren Spektralbereichen kann – wie genannt – beispielsweise erfolgen durch eine Photodiode (11) , welche aus mehreren Elementarphotodioden (12; 13) besteht; mit gleichartigen separat auswertbaren Raumladungszonen (41; 42), die in gleicher Tiefe T ausgeprägt sind, sowie Beugungsstrukturen (2) nach 2c. Jede Raumladungszone (41; 42) detektiert somit Strahlung einer durch die jeweilige zugeordnete Beugungssubstruktur bestimmten Wellenlänge.
Eine weitere Möglichkeit besteht in einer Kombination von Elementarphotodioden (12; 13), deren jeweilige Beugungsstrukturen (2) derart konzipiert sind, daß sich die jeweilig beobachtbaren Spektralbereiche einander ergänzen, wobei jede Elementarphotodiode (12; 13) eine spannungsgesteuerte Raumladungszone (41; 42) zur sukzessiven Erfassung der Strahlung in mehreren wellenlängenabhängigen Brennpunkten aufweist.
Es können die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Verfahren und Anordnungen selbstverständlich weiter sinngemäß variiert und kombiniert werden.
Die Raumladungszonen (4; 41; 42) müssen sich nicht notwendigerweise zur Detektion einer spektralen Strahlungsverteilung S(λ) über die Brennpunkte der gebeugten Strahlung sämtlicher zu beobachtender Wellenlängen λ_m erstrecken. D.h. im allgemeinsten Fall erhält man für die Raumladungszonen RLZ₁...RLZ_n einer Photodiodenkombination (12; 13), die durch die k Spannungskombinationen (U1, U2, ..., Un)_k gesteuert werden, mehrere definierte spektrale Empfindlichkeiten E₁₁(λ)...E_nk(λ), anhand derer mittels inverser Integraltransformation aus den gemessenen integralen Photoströmen I_nk die Spektralverteilung S(λ) der zu beobachtenden Strahlung, zumindest aber weitere davon abgeleitete Größen, wie z.B. Farbmaßzahlen y_j, ermittelt werden können. Insbesondere kann die analytische Lösung des Integralgleichungssystems
∫E_nk(λ)S(λ)dλ = I_nk; y_j = ∫Y_j(λ)S(λ)dλ näherungsweise numerisch durch den algebraische Ausdruck S ≈ R·I; y_j ≈ Y_j ^T·S mit den Vektoren
S≡{S(λ₁); ...; S(λ_m)} und I≡{I₁₁; ...; I_nk} sowie R als reziproke Empfindlichkeitsmatrix und Y_j als Farbmaßzahlwichtungsvektor erfolgen.

Claims

Verfahren zur spektralselektiven Beobachtung einer kollimierten elektromagnetischen Strahlung in einem oder mehreren Spektralbereichen, unter alleiniger Verwendung einer mittels Mikroelektronik-Standardtechnologien hergestellten, monolithisch integrierten Halbleiter-Photodiode vom Drift-Typ und Einrichtungen zur Messung bzw. Auswertung elektrischer Ladungen, dadurch gekennzeichnet, daß – die Oberfläche (1) der Photodiode (10; 11) mit der zu beobachtenden kollimierten elektromagnetischen Strahlung beaufschlagt wird, – die elektromagnetische Strahlung durch von unmittelbar auf der Oberfläche (1) befindlichen diffraktiven Strukturen (2) derart beeinflußt wird, so daß sich im absorbierenden Halbleitervolumen (3; 5; 6; 7) mit eventuell ortsabhängiger Bandlücke eine orts- und wellenlängenabhängige Strahlungsintensitätsverteilung ausbildet, – die durch Absorption der gebeugten elektromagnetischen Strahlung im Einflußbereich einer oder mehrerer Raumladungszonen (4; 41; 42) der Photodiode (10; 11) generierten Ladungsträger getrennt werden, wobei wahlweise eine oder mehrere dieser Raumladungszonen (4; 41; 42) durch mindestens eine wahlweise angelegte Spannung in ihrer Lage und Größe gemeinsam und/oder getrennt variiert werden können, und somit diese Raumladungszonen (4; 41; 42) durch Überstreichen verschiedener Bereiche des Halbleitervolumens (3; 5; 6; 7) ihre jeweilige spektrale Empfindlichkeit spannungsgesteuert ändert, – die so in Abhängigkeit von dieser in einer beliebigen Reihenfolge angelegten definierten Spannungskombinationen erhaltenen Ladungen und/oder Photoströme einer weiteren Auswertung zugeführt werden.
Verfahren zur spektralselektiven Beobachtung einer kollimierten elektromagnetischen Strahlung in einem oder mehreren Spektralbereichen, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodiode (10; 11) zusätzlich mit definierter, eventuell wellenlängen- und/oder intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt wird, und/oder der Spannung über der/den Raumladungszonen (4; 41; 42) eine definierte Wechsel spannung überlagert wird, aus den so erhaltenen zusätzlichen Strömen mit Hilfe einer Auswerteeinheit eine Kontrollgröße gebildet wird, welche ein Maß für die Lage und Größe der Raumladungszonen (4; 41; 42) darstellt, anhand derer die Spannung über dieser/diesen Raumladungszonen (4; 41; 42) korrigiert wird.
Verfahren zur eindimensional oder zweidimensional örtlich aufgelösten spektralselektiven Beobachtung einer elektromagnetischen Strahlung jeweils in einem oder mehreren Spektralbereichen, nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beschriebenen Verfahren räumlich lateral kombiniert und wahlweise nacheinander und/oder gleichzeitig durchgeführt werden, wobei zur Durchführung dieser Verfahren monolithisch integrierte identische Photodioden (10) und/oder Photodiodenkombinationen (11) sowie eine gemeinsame, unmittelbar auf der Oberfläche (1) befindliche diffraktive Struktur (2) verwendet wird.
Mittels Mikroelektronik-Standardtechnologien herstellbare monolithisch integrierte Halbleiter-Photodiode nach dem Drift-Typ zur spektralselektiven Beobachtung einer kollimierten elektromagnetischen Strahlung wahlweise in einem oder mehreren Spektralbereichen, nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß a) unmittelbar auf der Oberfläche (1) der Photodiode (10; 11) laterale diffraktive Strukturen (2) angeordnet sind, an denen eine einfallende zu beobachtende kollimierte elektromagnetische Strahlung gebeugt wird und sich im Halbleitervolumen (3; 5; 6; 7) eine orts- und wellenlängenabhängige Strahlungsintensitätsverteilung ausbildet, b) unmittelbar auf dem Halbleitersubstrat (3; 5) eine weitere Halbleiterschicht (6; 7) mit einer von der des Halbleitersubstrats (3; 5) verschiedenen Bandlücke und/oder eine Isolatorschicht (8) angeordnet sein kann, c) die Photodiode (10; 11) ein derartiges Dotierungsprofil aufweist, so daß sich mindestens eine Raumladungszone (4; 41; 42) ausbildet, die durch eine jeweilige definierte Spannung in ihrer Lage und Größe variiert werden kann, wobei diese Raumladungszonen (4; 41; 42) sich – eventuell spannungsgesteuert –über Orte von Intensitätsmaxima verschiedener zu beobachtender Strahlungswellenlängen erstrecken, d) die Photodiode (10; 11) Einrichtungen sowohl zum Anlegen von definierten Spannungen über die jeweiligen Raumladungszonen (4; 41; 42) als auch zur wahlweisen Ableitung der durch die Raumladungszonen (4; 41; 42) getrennten Ladungsträger an äußere Kontakte (9) und/oder an weitere innere Auswertungseinrichtungen aufweist, wobei diese Auswertungseinrichtungen Kontrollgrößen zur Korrektur der Spannung über der jeweiligen Raumladungszone (4; 41; 42) bilden können und/oder durch eine algebraische Verknüpfung dieser in Abhängigkeit von den in einer beliebigen Reihenfolge angelegten definierten Spannungskombinationen erhaltenen Ladungsgrößen die Intensitätsanteile der zu analysierenden elektromagnetischen Strahlung in jedem Spektralbereich und/oder aus ihnen abgeleitete Größen, wie Farbmaßzahlen, ermitteln können.
Photodiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die laterale diffraktive Struktur (2) als Phasengitter oder Amplitudengitter oder als deren beliebige Kombination ausgeführt ist, wobei das Phasengitter wahlweise durch a) Grabenstrukturen in der Substratoberfläche und/oder b) in auf das Substrat aufgebrachten Halbleiterschichten und/oder c) auf die Halbleiteroberfläche aufgebrachte dielektrische Strukturen und/oder d) auf der Halbleiteroberfläche in lateralen Strukturen partial oxidierten Halbleiter realisiert ist sowie das Amplitudengitter wahlweise aus e) elektrisch leitendem Kontaktbahnmaterial und/oder f) Photoresist besteht und/oder auf den diffraktiven Strukturen ein dielektrisches Antireflexions-Schichtsystem aufgebracht ist.