DE4207431A1 - Sensoranordnung, insbesondere zur untersuchung von biologischen und technischen strukturen - Google Patents

Sensoranordnung, insbesondere zur untersuchung von biologischen und technischen strukturen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, insbesondere zur Untersuchung von biologischen und technischen Strukturen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der europäischen Patentanmeldung 03 87 793 A2 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Darstellung von Strukturen, die überwiegend biologisch sind oder technisch gefertigt wur­ den, bekannt.
Der bei dem vorstehend genannten Verfahren eingesetzte Flä­ chensensor wird zur Erstellung von IR und NIR-Tomogrammen so­ wie zur Bestimmung des Volumenflusses in Kapillaren und Fil­ tern eingesetzt und kann in der Medizin, Biologie sowie in der Technik zur Beobachtung und Beurteilung von Strukturen, Oberflächen, Volumina und Volumenflüssen mit darin ablaufen­ den chemischen oder physikalischen Prozessen eingesetzt wer­ den.
Hierfür werden in einer Ebene IR-Lichtquellen und -Empfänger als Flächenstrahler verwendet, wobei der Flächenstrahler mit einem bestimmten Strahlungsquerschnitt und einer bestimmten Intensität strahlt.
Mit dem Flächenstrahler wird eine örtlich und volumendefi­ nierte Streulichtmessung durchgeführt.
Der Flächenstrahler ist dabei so ausgebildet, daß mehrere Senderelemente als IR-Lichtquellen in X-, Y-Richtung einer Ebene angeordnet sind, die in die Z-Richtung strahlen. Der Flächenstrahlungs-Empfangssensor besteht aus einzelnen Bau­ elementen, mit denen die darzustellende Struktur bzw. das Ob­ jekt netzartig teilweise oder ganz überzogen ist. Die einzel­ nen Bauelemente sind in einer Makro-Sende-Empfangsmatrix an­ geordnet, welche an der zu untersuchenden Oberfläche auf­ liegt.
Der Flächenstrahlungs-Empfangssensor ist dergestalt struktu­ riert, daß die einzelnen diskreten Sender- und Empfänger-Bau­ elemente in einem Abstand von beispielsweise 10 bis 20 µm als Matrix angeordnet sind.
Bei der vorstehend geschilderten Anordnung handelt es sich also um die räumlich konzentrierte Ausbildung einer Vielzahl von diskreten Einzelsensoren, d. h., von einzelnen Sender- bzw. Empfängerbauelementen.
Die Herstellung derartiger diskreter mikrostrukturierter An­ ordnungen ist im Fertigungsprozeß außerordentlich zeit- und kostenaufwendig, wobei insbesondere durch die hohe erforder­ liche Justagegenauigkeit im Mikrometerbereich eine Herstel­ lungsrentabilität nicht gegeben ist.
Die in der Meßeinrichtung zur nichtinvasiven Feststellung venöser bzw. arterieller Abfluß- und Durchflußstörungen of­ fenbarte Ausbildung eines Meßkopfes nach EP 63 649 B1, be­ steht aus einem Strahlungsempfänger, um den herum vorzugs­ weise 3 Strahlungsquellen angeordnet sind.
Der Durchmesser des hier vorgestellten Meßkopfes beträgt etwa 30 mm, wobei in bestimmten Aussparungen des Meßkopfes der vorerwähnte Strahlungsempfänger bzw. die Strahlungsquellen angebracht sind.
Zum Erhalt einer ausreichend fokussierten Stahlung sind sowohl die Strahlungsquellen als auch die Strahlungsempfänger mit zusätzlichen Linsen ausgestattet.
Durch die Verwendung mehrerer, ringförmig um den Detektor be­ festigter Strahlungsquellen wird zwar eine homogenere Haut­ durchleuchtung erreicht, jedoch kann durch die diskrete Aus­ bildung des Sensorkopfes keine Erfassung von Mikrostrukturen erfolgen. Auch erfordert die Verwendung diskreter Strahlungs­ quellen bzw. diskreter Strahlungsempfänger einen aufwendigen Qualitätssicherungs- und Selektionsprozeß, so daß nur Bau­ elemente verwendet werden, die in einem entsprechenden vorge­ gebenen engen Toleranzbereich liegen. Ebenfalls aufwendig ist die diskrete Aussteuerung und Signalauswertung der Strah­ lungsquellen bzw. des Empfängers.
Dadurch, daß die im Meßkopf befindlichen optoelektronischen Bauelemente leicht hervorstehend angeordnet sind, wird eine punktuelle Reizung einer beispielsweise zu untersuchenden biologischen Struktur hervorgerufen, die jedoch unerwünscht ist.
Aus der allgemeinen optoelektronischen Sensorik sind Anord­ nungen in Form von optoelektronischen Kopplern bekannt, die lichtemittierende Sendedioden auf der Basis GaAs oder GaAlAs, GaP und anderen Verbindungshalbleitern und eine strahlungs­ empfindliche Silicium-Photodiode enthalten. Diese Koppler sind derart gestaltet, daß sich Sender und Empfänger ge­ genüberliegen.
So ist beispielsweise in der DE-OS 29 50 649 eine Sensoran­ ordnung beschrieben, bei der der Sender als Kantenstahler ausgebildet ist, und wobei der Montage-Trägerstreifen bei­ derseitig um ca. 45° abgewinkelt werden muß, damit die opti­ sche Strahlung senkrecht auf den Empfänger trifft.
Im DD-WP 2 12 620 wird ein Miniaturkoppler beschrieben, der als Reflexkoppler ausgeführt ist. Hierbei werden der diskrete Sender- und Empfängerchip auf einen gemeinsamen Träger mon­ tiert, der als flexible Leiterplatte geringer Dicke ausge­ führt ist.
Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß keine ausrei­ chende Spannungsfestigkeit bei galvanischer Trennung gegeben ist und die optische Kopplung mit erheblichen Verlusten ver­ bunden ist.
Zur Diagnostik von Gewebestrukturen mittels optoelektroni­ scher Bauelemente sind eine Vielzahl von Lösungen bekannt, wobei stellvertretend das Europäische Patent 14 705 B1 sowie das DD-WP 2 60 130 A1 genannt sein mögen.
Alle diese Lösungen besitzen den gemeinsamen Nachteil, daß ein Detektor von der zu untersuchenden Oberfläche oder dem zu untersuchenden Volumen reflektiertes Licht, mehrere Zentime­ ter von einer oder mehreren Sendedioden entfernt, erfaßt.
Dadurch ist es unmöglich, eine minimierte Organregion zu mes­ sen und die erforderlichen hohen Auflösungen für eine exakte Diagnose zu erreichen.
Würde man zur Lösung dieses Problems den eingangs erwähnten Flächenstrahler benutzen, dann steht einer breiten Anwendung der damit verbundene konstruktive, insbesondere der Justage­ aufwand und die hohen Koppelverluste entgegen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung, insbesondere zur Untersuchung von biologischen und techni­ schen Strukturen anzugeben, mit der bei geringem konstrukti­ ven bzw. fertigungstechnischem Aufwand bei der Sensorherstel­ lung sowohl kleinste Areale mit hohem Auflösungsvermögen als auch Makrostrukturen untersucht werden können.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird eine monolithische optoelektronische Sen­ der- und Empfängerstruktur auf Halbleiterbasis geschaffen, deren Einzelelemente galvanisch nicht entkoppelt sind. Diese monolithische Sender- und Empfängerstruktur ist derart aus­ gebildet, daß die Senderoberfläche unterhalb der des Em­ pfängers liegt und wobei durch speziell angeordnete Kon­ taktstege bzw. Leitbahnen ein Übersprechschutz zwischen Sen­ der- und Empfängerelement gegeben ist.
Durch die im halbleitertechnologischen Herstellungsprozeß möglichen Gestaltungsvarianten des Kontaktlayouts können wahlweise Längs-, Querzeilen oder Array-Anordnungen mit mini­ malster Strukturbreite, d. h. mit hoher Packungsdichte von Sender- und Empfängerelementen je Flächeneinheit realisiert werden.
Eine Ausbildung der komplexen Sensoranordnung auf einem Chip vermeidet ansonsten erforderlich werdende Justageschritte. Gleichzeitig wird eine Sensoranordnung im Chipformat zur Ver­ fügung gestellt, deren einzelne Elemente hinsichtlich ihrer elektro-optischen Parameter gleich ausgebildet sind.
D.h., die Homogenität der Ausleuchtung der zu untersuchenden Objekte vergrößert sich einerseits durch die Konstanz der Pa­ rameter der einzelnen Bauelemente und andererseits durch die Vielzahl einer gegebenenfalls vorteilhafterweise alternieren­ den Anordnung von Sender- und Empfängerelementen auf einem Chip.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung auf Verbindungshalbleiter-Materialbasis erfolgt zweckmäßigerweise wie nachstehend geschildert.
Auf einem beispielsweise AIII BV-n-Substrat wird zuerst eine breitlückige n-Schicht für den Sender, eine relativ schmal­ lückige n-Schicht für den Empfänger, eine vorteilhafterweise höchstens 1,5 µm dicke p-Schicht für den Empfänger und eine vorteilhafterweise höchstens 0,3 µm dicke, sehr breitlückige p-Typ Fensterschicht unmittelbar nacheinander epitaktisch ab­ geschieden.
Hierdurch erhalten Sender und Empfänger einen gemeinsamen n- Kontakt.
Der pn-Übergang der Sendediode wird beispielsweise durch Lo­ kaldiffusion oder Implantation eines geeigneten Akzeptors nach selektiver Entfernung der Empfängerschichten, beispiels­ weise durch Ätzen, erzeugt.
Die p-Kontakte der Sender und Empfänger werden getrennt her­ ausgeführt und können matrixartig oder einzeln ausgebildet und angesteuert werden.
Wie bereits angedeutet, können die Sender- und Empfänger­ strukturen im Chipmaßstab als Zeilenmatrix mit einem Sender und zwei Empfängern, als Zeilenmatrix mit zwei Sendern und drei Empfängern sowie als Zeilenmatrix in alternierender Folge von Sendern und Empfängern zur Erzeugung eines quasi homogenen Strahlungsfeldes ausgebildet und angesteuert wer­ den. Ebenfalls ist die Ausbildung als eine großflächige, qua­ dratische, kreisförmige oder andersartig gestaltete Matrix möglich.
Durch die unterschiedliche Art der durch die Kontaktierung geschaffenen Ansteuerungsmöglichkeiten und durch den monoli­ thischen Aufbau der Sensoranordnung mit Abständen zueinander im Mikrometerbereich, entsteht in der Anwendung der Vorteil, sowohl Mikro- als auch Makrostrukturen mit quasi homogener Strahlung zu diagnostizieren.
Durch die außerordentlich hohe Packungsdichte von Sendern und Empfängern je Flächeneinheit auf dem Chip, ergibt sich neben der bereits erwähnten hohen Auflösung die Möglichkeit, entwe­ der mit geringerer Strahlungsleistung zu operieren oder mit gleicher oder erhöhter Strahlungsleistung ein tieferes Ein­ dringen in das Volumen der zu untersuchenden Struktur zu er­ möglichen.
Dies ermöglicht die Verwendung des Sensors zur nichtinvasiven Optodiagnostik im medizinischen Bereich.
Die Erfindung soll anhand des nachstehend geschilderten Aus­ führungsbeispiels sowie mehrerer Figuren näher erläutert wer­ den.
Hierbei zeigen
Fig. 1 eine Schnittdarstellung der Schichtenfolge ei­ nes Ausschnittes der erfindungsgemäßen Senso­ ranordnung mit zwei Empfänger- und einem Sen­ debereich.
Fig. 2a-2d verschiedene Anordnungen von Sender- und Emp­ fängerbereichen einer Sensor-Zeilenanordnung.
Fig. 3 die Anordnung von Sender- und Empfängerab­ schnitten in einer Gesamtmatrix.
Fig. 4 eine Kreuzzeilenanordnung der Sender- und Emp­ fängerelemente.
Fig. 5 eine vorzugsweise Gruppierung von Sender- und Empfängerelementen bei kreisförmiger Grundfi­ guration.
Der technologische Ablauf eines möglichen Verfahrens zur Her­ stellung der Sensoranordnung soll unter Hinweis auf Fig. 1 wie folgt beschrieben werden.
Als Substratmaterial wird beispielsweise n-GaAs 1 eingesetzt. Auf dem Substrat wird zunächst eine relativ breitlückige n- GaAsP-Schicht 11, 12 in unterschiedlicher Dotierung zum Er­ reichen eines geringen Öffnungswinkels von z. B. 16° des pn- Überganges des Senders 3 epiaxial abgeschieden. Darauf folgt die Ausbildung einer n-GaAs-Schicht 13, welche relativ schmallückig ist sowie das Abscheiden einer dünnen p-GaAs- Schicht 14.
Nach den Arbeitsschritten der Reinigung des Substrats, bei­ spielsweise mit einer Lösung von NH3:H2O im Verhältnis 1:2 bei Raumtemperatur und Ultraschalleinwirkung, wird eine Lackhaftmaske aufgebracht. Anschließend wird ein Mesaätz­ schritt durchgeführt sowie das Ablacken der Haftmaske vorge­ nommen.
Nach der Beschichtung mit Si3N4 und einem Photolithographie- Schritt wird das Planarfenster für das Senderelement freige­ ätzt.
Die technologischen Schritte Plasmaätzen und Plasmastrippen bereiten die nachfolgende Diffusionsbehandlung und die Schaf­ fung des pn-Überganges 3 des Senders vor.
Mit einem weiteren photolithographischen Schritt wird das Planarfenster 2 für den Kontakt der Photodiode geöffnet. Nach dem Entfernen von Oxidresten mittels Nachätzen wird die Alu­ miniumbedampfung für die p-Kontakte 5 von Sender- und Empfän­ gerelement durchgeführt. Durch eine spezielle Maskierung wer­ den dann die einzelnen p-Kontakte 5 für den Sender und den Empfänger hergestellt.
Die Verhinderung des Übersprechens zwischen dem pn-Übergang für den Sender und dem des Empfängers erfolgt durch das Vor­ sehen von speziellen Kontaktwinkeln 6, z. B. mittels Sputtern, im lateralen Layout. Auf der nicht mit Kontakten 5 versehenen Fläche der Empfängerbereiche E1 und E2 ist eine Antireflexi­ onsschicht 7 aufgebracht, so daß auch rückseitiger Lichtein­ fall nicht störend ist.
Der gemeinsame n-Kontakt 4 von Sender- und Empfängerelement wird durch eine AuGe-Bedampfung des n-GaAs-Substrates 1 aus­ gebildet.
Durch einen weiteren Kontaktausbildungsprozeß ist es möglich, ausgehend von einer Grundstruktur eine auf den jeweiligen An­ wendungsfall zugeschnittene Festverdrahtung der Einzelele­ mente, d. h. der Sender- und Empfängerabschnitte des Chips durchzuführen. Dies kann z. B. mittels sogenannter "hängender Kontakte" erfolgen.
Zur Realisierung des einzelnen Ansteuerns der Sender- und/oder der Empfängerelemente kann jedoch eine einzelne p- Kontaktierung mittels Drahtbonden auf einem Trägerstreifen erfolgen.
In den Fig. 2a bis 2d sind mögliche Zeilenanordnungen darge­ stellt. Die einfachste Konfiguration nach Fig. 2a besteht darin, daß ein Empfänger- und ein Senderelement unmittelbar benachbart nebeneinander liegend, ausgebildet sind.
Zum besseren Verständnis des Größenvergleiches sei erwähnt, daß ein derartiger monolithischer Sender/Empfängerchip nicht oder nur unwesentlich größer als der für eine herkömmliche diskrete LED-Anordnung erforderliche Chip ist.
Eine Verbesserung der Strahlungshomogenität und eine Auflö­ sungserhöhung ohne zusätzliche mechanische Bewegung zwischen der Sensoranordnung und dem zu untersuchenden Objekt, ist beispielsweise durch die Zeilenanordnungen nach Fig. 2b bis 2d möglich, wobei diese dadurch gekennzeichnet sind, daß ent­ weder einem Senderelement benachbart Empfängerelemente ange­ ordnet sind, oder, jeweils alternierend, Sender- und Empfän­ gerelemente ausgebildet werden.
Die Fig. 3 offenbart die mögliche Anordnung von Sender- und Empfängerelementen in einer Flächenmatrix. Durch die Auswahl einer der dargestellten Konfigurationen ist es möglich, die Sensoranordnung an die unterschiedlichsten zu erwartenden Ei­ genschaften der zu untersuchenden biologischen und techni­ schen Strukturen anzupassen. D.h., es können gleichzeitig mehrere Meßstellen abgetastet werden.
Der alternierende Wechsel zwischen Sender- und Empfängerele­ menten kann auch in vorgegebenen beliebigen Gruppen erfolgen. D.h., es können z. B. mehrere Sender- und/oder Empfängerele­ mente in Gruppen größer als 1 zusammengefaßt werden, wobei sich diese Gruppen zyklisch abwechseln. Dies ist in den Fig. 3b-3d prinzipiell dargestellt.
Mittels der gekreuzten Zeilenanordnung nach Fig. 4 kann bei relativ geringem Aufwand bzw. Anforderungen an die Auswerte­ elektronik ein größerer Bereich mikro-diagnostiziert werden.
Ein ähnlicher Vorteil entsteht, wenn eine monolithische An­ ordnung von Sendern und Empfängern, wie in Fig. 5 offenbart, gewählt wird. Allen vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß der Abstand der einzelnen Elemente untereinan­ der durch die innewohnenden halbleitertechnologischen Vor­ teile stets in vorgegebenen Maße gleich gewählt werden kann. Ausgehend von den Strahlungseigenschaften der jeweiligen strahlenden pn-Übergänge erfolgt eine homogene Ausleuchtung der zu untersuchenden Struktur oder des zu untersuchenden Ob­ jektes, die mit herkömmlichen diskreten Anordnungen nicht zu erreichen ist.
Durch die Anordnung des pn-Überganges für das Senderelement unterhalb des pn-Überganges für das Empfängerelement wird ein ausreichender Schutz gegen optisches Übersprechen erreicht.
Durch den gemeinsamen n-Kontakt können die Außenanschlüsse der komplexen monolithischen Sensoranordnung minimiert wer­ den, wodurch die Aufwendungen für den Zyklus II, nämlich das Verkappen des Bauelementes geringer werden und eine nachge­ schaltete Auswerte-Elektronik einfacher aufgebaut werden kann.

Claims (12)

1. Sensoranordnung, insbesondere zur Untersuchung von biologischen und technischen Strukturen mittels in einer Ebene angeordneten photoelektrischen Sendern und Empfängern dadurch gekennzeichnet, daß eine monolithische, galvanisch nicht entkoppelte opto­ elektronische Sender/Empfängerstruktur in bzw. auf einem Halbleiter-Substrat vorhanden ist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die monolithische Sender-/Empfängerstruktur aus halblei­ tenden-pn-Übergängen gebildet ist, welche Strahlungsquanten aussenden oder empfangen können.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der monolithisch ausgebildeten pn-Über­ gänge der Senderelemente unterhalb derer der Empfängerele­ mente liegen.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die monolithische Sender-/Empfängerstruktur aus einer al­ ternierenden Folge von lichtaussendenden und -empfangenden halbleitenden-pn-Übergängen besteht.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die monolithische Sender- und Empfängerstruktur zur Bil­ dung einer Matrix in X- und Y-Richtung aus einer alternieren­ den Folge von lichtaussendenden und -empfangenden halbleiten­ den-pn-Übergängen besteht.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die monolithische Sender-/Empfängerstruktur aus einer al­ ternierenden Folge von lichtaussendenden und -empfangenden halbleitenden-pn-Übergängen besteht, die in regelmäßigem Ab­ stand auf konzentrischen Kreisen angeordnet sind.
7. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die monolithische Sensor-/Empfängerstruktur aus einem Verbindungshalbleiter besteht.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungshalbleiter ein Halbleiter aus der AIII BV- Gruppe ausgewählt ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß auf einem AIII BV-n-Substrat (1) zunächst eine relativ breitlückige n-Schicht für den Sender (11, 12), eine relativ schmallückige n-Schicht für den Empfänger (13) und eine vor­ teilhafterweise höchstens 1,5 µm dicke p-Schicht für den Emp­ fänger (14) unmittelbar nacheinander abgeschieden werden, so daß die Sender- (S) und Empfängerelemente (E1, E2) einen ge­ meinsamen n-Kontakt (4) besitzen,
daß der Sender-pn-Übergang nach dem Freiätzen der darüberlie­ genden Empfängerschichten lokal gebildet wird und die p-Kon­ takte (5) der Sender- und Empfängerelemente (S, E1, E2) ge­ trennt ausgebildet sind.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger als Mesahügel ausgebildet ist und die pn- Sendeoberfläche unterhalb der des Empfängers liegt und daß durch Kontaktflächenausbildung der p-Kontakte seitlich im Be­ reich des Fensters des Senders ein Schutz gegen optisches Übersprechen gegeben ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungssender und -empfänger in alternierender Folge zeilen- oder matrixförmig ausgebildet sind.
12. Verfahren nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Strahlungssendern und -empfängern zur Erzeugung eines homogenen optischen Feldes konstant ist.
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