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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Faseroptik- oder Optoelektronikmodule.
Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein Fertigen eines Photodetektors
mit einem integrierten Spiegel.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Optische
Kommunikationssysteme werden weit verbreitet zum Tragen sehr großer Informationsmengen
mit niedriger Fehlerrate und bei geringen Kosten über große Entfernungen
verwendet. Aus diesem Grund wurde beträchtlich viel Entwicklung bei
Komponenten optischer Kommunikationssysteme, wie z. B. Optoelektronikbausteinen
oder -Modulen, durchgeführt.
Optoelektronik bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen, die sowohl
elektronische als auch optische Attribute teilen. Diese Vorrichtungen können Laservorrichtungen,
die kohärentes
Licht ansprechend auf ein elektronisches Signal erzeugen, und Photodetektoren,
die ein elektronisches Signal ansprechend auf Licht erzeugen, sein.
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Üblicherweise
verwenden bidirektionale Optoelektronikmodule Kantenemissions-Halbleiterlaser und
Oberflächenerfassungs-Photodetektoren (siehe 1).
Wie aus 1 zu sehen ist, ist, da ein
Kantenemissionslaser 11 einen relativ breiten Strahlungswinkel
aufweist, eine Linse 12 üblicherweise zwischen dem Laser 11 und
einer optischen Faser 13 eingeführt, um eine hohe optische
Kopplungseffizienz zu erhalten. Zusätzlich ist üblicherweise eine Linse 17 zwischen
der optischen Faser 13 und einem Photodetektor 15 eingeführt. Die
eingeführte
Linse 17 verbessert die opti sche Kopplungseffizienz zwischen
der optischen Faser 13 und dem Photodetektor 15.
Da das Optoelektronikmodul 10 ein bidirektionales Modul
ist, wird ein optisches Filter 18 verwendet, um den von
der optischen Faser 13 emittierten Lichtstrahl zu der Linse 17 zu
reflektieren und es zu ermöglichen,
dass der Lichtstrahl von der Linse 12 die optische Faser 13 erreicht.
Ein anderer Photodetektor 19 wird als ein Rückfacettenmonitor
des Lasers 11 verwendet.
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Bei
der Herstellung des Optoelektronikmoduls 10 müssen der
Laser 11, die Linse 12, das optische Filter 18 und
die optische Faser 13 in genauer vorbestimmter Ausrichtung
zueinander sein. Zusätzlich
müssen
die optische Faser 13, das optische Filter 18,
die Linse 17 und der Photodetektor 15 in genauer vorbestimmter
Ausrichtung zueinander sein. Um dies zu erzielen, werden üblicherweise
Halterungen und/oder Befestigungen benötigt, um die Komponenten an
ihrem Ort und in Ausrichtung zueinander zu halten, wie in 2 gezeigt
ist.
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Wie
aus 2 zu sehen ist, wird eine Halterung 21 verwendet,
um die Linse 12 an ihrem Ort und in vorbestimmter Ausrichtung
zu dem Laser 11 zu halten, der ebenso an der Halterung 21 befestigt
ist. Diese Halterung 21 wird dann mit einer weiteren Halterung 22 gekoppelt,
die die optische Faser 13 und das optische Filter 18 an
ihren Orten hält.
Eine dritte Halterung 20 wird verwendet, um die Linse 17 an
ihrem Ort und in Ausrichtung mit dem Photodetektor 15 zu
halten. Die Halterung 20 befestigt und fixiert auch den
Photodetektor 15. Da der Photodetektor 15 der Oberflächenerfassungs-Photodetektor
ist (wie in 3 gezeigt), ist der Photodetektor 15 an
der Halterung 20 senkrecht zu dem eingehenden Licht befestigt,
wie in 2 gezeigt ist. Die Halterung 20 ist auch
mit der Halterung 22 gekoppelt. Die Ausrichtung des Lasers 11,
der Linsen 12 und 17, des Photodetektors 15,
des optischen Filters 18 und der optischen Faser 13 wird
durch die Halterungen 20 bis 22 erzielt.
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Ein
Nachteil derartiger Optoelektronikmodule oder -bausteine besteht
darin, dass die Halterungen üblicherweise
in der Herstellung relativ kostspielig sind, da sie üblicherweise
eine relativ hohe Präzision
erfordern. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass es üblicherweise
zeitaufwändig
ist, die Optoelektronikmodule unter Verwendung der Halterungen zusammenzubauen,
wodurch ein geringer Durchsatz bewirkt wird. Zusätzlich könnte auch Zeit zur Ausrichtung
und Einstellung während
des Zusammenbauens der Optoelektronikmodule benötigt werden. Dies verhindert üblicherweise
eine Massenproduktion der Optoelektronikmodule durch Bediener, die
mittelmäßig ausgebildet
sind, während
die erforderlichen Ausrichtungskriterien erhalten bleiben. Diese
Faktoren beschränken üblicherweise
die Kostenreduzierung der Optoelektronikmodule.
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Ein
anderer Nachteil besteht darin, dass es typischerweise schwierig
ist, einen Oberflächenerfassungsphotodetektor
(wie beispielsweise den in 1–3 gezeigten
Photodetektor 19) an einem Befestigungsbauglied zu befestigen,
an dem ein Laser (z. B. Laser 11) befestigt ist. Dies rührt von
der Tatsache her, dass der Oberflächenerfassungsphotodetektor
vertikal an dem Befestigungsbauglied befestigt sein muss, wobei
die vordere Oberfläche
desselben senkrecht zu der oberen Oberfläche des Befestigungsbauglieds
ist. Das Befestigen eines Oberflächenerfassungsphotodetektors
vertikal an einem Befestigungsbauglied erfordert jedoch komplexe
Bond- und Häusungsschritte.
Zusätzlich
ist ein kostspieliger Prozess erforderlich, um einen Bonddraht an
dem Photodetektor anzubringen, der vertikal mit Bezug auf die obere
Oberfläche
des Befestigungsbauglieds positioniert ist.
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Die
US-A-4,945,400 offenbart
eine Unteranordnung für
eine Verwendung bei einem Hausen einer optoelektronischen Vorrichtung,
die eine Halbleiterbasis und einen Deckel umfasst, der eine Mehrzahl
von geätzten
Merkmalen aufweist, wie Rillen, Hohlräume und Ausrichtungsarretierungen
und Metallisierungsmuster. V-förmige
Tandemrillen sind in dem Substrat gebildet. Die Rille ist durch
eine reflektierende Seitenwand abgeschlossen, die die untere Oberfläche des
Substrats in einem vorbestimmten Winkel schneidet und die als ein
Reflektor fungiert. Ein Photodetektor ist an der oberen Oberfläche des Substrats
angebracht, wobei ein photoempfindlicher Bereich des Photodetektors
der reflektierenden Seitenwand der V-förmigen Tandemrille zugewandt
ist.
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Die
Erfindung basiert auf der Aufgabe eines Schaffens eines Verfahrens
zum Integrieren eines Photodetektors und eines Reflektors, das für eine Massenproduktion
geeignet ist und das während
der Zusammenfügung
von Optoelektronikmodulen keine Ausrichtung und Einstellung benötigt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Unten
ist eine integrierte Optoelektronikvorrichtung beschrieben. Die
integrierte Optoelektronikvorrichtung umfasst einen Photodetektor,
der einen aktiven Bereich aufweist. Ein Substrat weist eine Seitenoberfläche auf,
die eine obere Oberfläche
des Substrats in einem vorbestimmten Winkel schneidet. Die Seitenoberfläche ist
reflektierend. Der Photodetektor ist auf die obere Oberfläche des
Substrats gebondet, wobei der aktive Bereich des Photodetektors der
Seitenoberfläche
zugewandt ist, derart, dass Licht, das sich parallel zu der oberen
Oberfläche
des Substrats bewegt, auf den aktiven Bereich des Photodetektors über die
Seitenoberfläche
reflektiert werden kann.
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Ein
Verfahren zum Integrieren eines Photodetektors und eines Reflektors
ist beschrieben. Das Verfahren umfasst den Schritt eines Bildens
eines im Wesentlichen pyramidenförmigen
Hohlraums in einem Substrat. Der pyramidenförmige Hohlraum weist eine reflektierende
Seitenwand auf, die (1) eine obere Oberfläche des Substrats in einem
vorbestimmten Winkel schneidet und (2) als der Reflektor fungiert. Ein Photodetektor
wird auf das Substrat angebracht, wobei ein aktiver Bereich des
Photodetektors der reflektierenden Seitenwand in dem Hohlraum zugewandt
ist. Das Substrat wird dann an dem Hohlraum getrennt, um die reflektierende
Seitenwand gegenüber
Licht auszusetzen, das sich parallel zu dem aktiven Bereich des
Photodetektors bewegt.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen
ersichtlich, die durch ein Beispiel die Prinzipien der Erfindung
darstellen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch ein bidirektionales Optoelektronikmodul des Stands der
Technik;
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2 ist
eine Seitenquerschnittsansicht, die den Baustein des bidirektionalen
Optoelektronikmoduls von 1 zeigt;
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3 zeigt
einen Oberflächenerfassungsphotodetektor
des Stands der Technik, der bei dem bidirektionalen Optoelektronikmodul
von 1–2 verwendet
wird;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht eines bidirektionalen Optoelektronikmoduls,
das integrierte Photodetektoren aufweist, die gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung gefertigt sind;
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5 ist
eine Draufsicht des bidirektionalen Optoelektronikmoduls von 4;
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6 stellt
schematisch den integrierten Photodetektor von 4 dar;
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7 ist
eine perspektivische Ansicht des integrierten Photodetektors von 6;
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8 ist
eine Seitenquerschnittsansicht des integrierten Photodetektors von 7;
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9 ist
eine Draufsicht des integrierten Photodetektors von 7;
und
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10A bis 10E zeigen
unterschiedliche Fertigungsstufen des integrierten Photodetektors von 7–9.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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4 ist
eine perspektivische Ansicht eines bidirektionalen Optoelektronikmoduls 30,
das integrierte Photodetektoren 33 und 41 aufweist,
die ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung implementieren. Alternativ ist das Optoelektronikmodul 30 eventuell
kein bidirektionales Optoelektronikmodul. In diesem Fall können mehr
oder weniger Photodetektoren als die Photodetektoren 33 und 41 in
dem Optoelektronikmodul 30 enthalten sein. 4 zeigt teilweise
die integrierten Photodetektoren 33 und 41. 5 ist
eine Draufsicht des Optoelektronikmoduls 30, das ebenfalls
die Photodetektoren 33 und 41 zeigt. Die vollständige Struktur
von jedem integrierten Photodetektor 33 und 41 ist
in 7–9 gezeigt,
die unten detaillierter beschrieben werden.
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Wie
es aus 4 und 5 zu sehen ist, umfasst das
Optoelektronikmodul 30 einen Laser 40, ein optisches
Filter 35, einen Spiegel 34 und sphärische Linsen 36 und 39 zusätzlich zu
den integrierten Photodetektoren 33 und 41. Das
Optoelektronikmodul 30 wird dann optisch mit einer optischen
Faser 31 gekoppelt. Der integrierte Photodetektor 41 fungiert als
ein Rückfacettenmonitor
des Lasers 40. Alle Komponenten mit Ausnahme der optischen
Faser 31 des Optoe lektronikmoduls 30 sind an einem
Befestigungsbauglied 32 des Optoelektronikmoduls 30 befestigt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist das Befestigungsbauglied 32 aus einem Halbleitermaterial hergestellt.
Ein Verwenden des Halbleitermaterials für das Befestigungsbauglied 32 ermöglicht,
dass das Befestigungsbauglied 32 durch einen photolithographischen
Maskierungs- und Ätzprozess
zum Befestigen der Komponenten des Optoelektronikmoduls 30 verarbeitet
werden kann. Wie es bekannt ist, wird der photolithographische Maskierungs-
und Ätzprozess
häufig
bei einem Fertigen von integrierten Halbleiterschaltungen mit einem
hohen Maß an
Genauigkeit verwendet. Dies ermöglicht
somit, dass das Befestigungsbauglied 32 mit einem hohen
Maß an Genauigkeit
verarbeitet werden kann.
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Ein
Verwenden von Halbleitermaterial für das Befestigungsbauglied 32 ermöglicht zusätzlich, dass
die Größe des Optoelektronikmoduls 30 wesentlich
reduziert werden kann, weil die Komponenten des Optoelektronikmoduls 30 nun
an dem einzigen Befestigungsbauglied 32 befestigt werden
können.
Zudem kann eine große
Anzahl von Befestigungsbaugliedern, die mit dem Befestigungsbauglied 32 identisch
sind, aus einem einzigen Siliziumwafer unter Verwendung einer Chargenverarbeitung
hergestellt werden.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist das Befestigungsbauglied 32 aus einem kristallinen <100>-Siliziummaterial hergestellt.
Alternativ können andere
kristalline Halbleitermaterialien verwendet werden, um das Befestigungsbauglied 32 zu
bilden. Zudem kann das Befestigungsbauglied 32 aus anderen
Materialien als dem Halbleitermaterial hergestellt sein.
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Wenn
das Befestigungsbauglied 32 ein <100>-Silizium
ist, kann das Befestigungsbauglied 32 anisotrop geätzt werden,
beispielsweise unter Verwendung eines KOH-Ätzmittels (d. h. Kaliumhydroxid),
um einen Hohlraum zu bilden. Die Geschwin digkeit des anisotropen Ätzens kann
unter Umständen
1000 zu 1 betragen. Dies bedeutet, dass die vertikale Ätzrate in
das Siliziumbefestigungsbauglied 32 1000 Mal schneller
als die Geschwindigkeit eines Ätzens
zu den kristallographischen <111>-Ebenen des Siliziumbefestigungsbauglieds 32 ist.
In anderen Worten ausgedrückt,
dienen die kristallographischen <111>-Ebenen als Ätzstopps.
Das anisotrope Ätzen bewirkt,
dass die geätzten
Seitenwände
des Hohlraums des Befestigungsbauglieds 32 auf den kristallographischen <111>-Ebenen des Befestigungsbauglieds 32 liegen.
Wie es bekannt ist, schneiden die <111>-Ebenen die kristallographischen <100>-Ebenen des Befestigungsbauglieds 32 mit
näherungsweise
54,7°. Wenn
die obere und die untere Oberfläche
des Befestigungsbauglieds 32 auf den <100>-Ebenen
liegen, schneiden die Seitenwände des
Hohlraums die obere und die untere Oberfläche des Befestigungsbauglieds 32 mit
näherungsweise 54,7°. Alternativ
können
die Seitenwände
des Hohlraums die obere und die untere Oberfläche des Befestigungsbauglieds 32 in
einem Winkel schneiden, der größer oder
kleiner als 54,7° ist.
Zum Beispiel kann das Befestigungsbauglied 32 hergestellt
(z. B. poliert bzw. geschliffen) sein, derart, dass die Oberflächen desselben
nicht auf den <100>-Ebenen des Befestigungsbauglieds 32 liegen.
In diesem Fall befinden sich die Oberflächen des Befestigungsbauglieds 32 in
einem vorbestimmten Winkel β zu
den <100>-Ebenen. Dies bewirkt, dass die kristallographischen <111>-Ebenen des Befestigungsbauglieds 32 die
obere und die untere Oberfläche
des Befestigungsbauglieds 32 in einem Winkel schneiden,
der gleich 54,7° ± β ist.
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Wie
es aus 4 und 5 zu sehen ist, ist der Laser 40 ein
kantenemittierender Laser und ist auf die obere Oberfläche des
Befestigungsbauglieds 32 gebondet. Jede der sphärischen
Linsen 36 und 39 sitzt in einem der pyramidenförmigen Hohlräume 37 und 38.
Die pyramidenförmigen
Hohlräume 37–38 sind
geätzt,
derart, dass die jeweiligen Seitenwände derselben auf den kristailographischen <111>-Ebenen des Befestigungsbauglieds
liegen. Das optische Filter 35 und der Spiegel 34 sind
auf die obere Oberfläche
des Befestigungsbauglieds 32 gebondet.
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Wie
es oben beschrieben ist, ist es typischerweise schwierig, einen
Oberflächenerfassungsphotodetektor
direkt an dem Befestigungsbauglied 32 zu befestigen. Dies
rührt von
der Tatsache her, dass der Oberflächenerfassungsphotodetektor
vertikal an dem Befestigungsbauglied 32 befestigt werden muss,
wobei die vordere Oberfläche
desselben senkrecht zu der oberen Oberfläche des Befestigungsbauglieds 32 ist.
Wie es aus 4 zu sehen ist, bewegt sich
der Lichtstrahl von dem Laser 40 oder der sphärischen
Linse 36 parallel zu der oberen Oberfläche des Befestigungsbauglieds 32.
Deshalb ist es erwünscht,
dass ein Oberflächenerfassungsphotodetektor
horizontal an dem Befestigungsbauglied 32 befestigt oder
positioniert ist.
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Um
dies zu erreichen, müssen
Vorkehrungen getroffen werden, um zu ermöglichen, dass der Oberflächenerfassungsphotodetektor
als ein Kantenerfassungsphotodetektor fungieren kann, um den eingehenden
Lichtstrahl zu empfangen, der sich parallel zu der vorderen Oberfläche des
Photodetektors bewegt. Dies kann durch ein Einsetzen eines Spiegels
oder Reflektors realisiert werden, um den eingehenden Lichtstrahl
abzulenken, wie es in 6 gezeigt ist. Wie es aus 6 zu
sehen ist, ist ein Oberflächenerfassungsphotodetektor 51 parallel
zu dem eingehenden Lichtstrahl. Ein Spiegel 54 ist in den
optischen Weg eingefügt,
um den eingehenden Lichtstrahl zu dem Oberflächenerfassungsphotodetektor 51 abzulenken.
Der Spiegel 54 ist in einem Winkel von näherungsweise
45° oder
54° bezüglich der
optischen Achse des eingehenden Lichtstrahls positioniert, derart,
dass der abgelenkte Lichtstrahl im Wesentlichen senkrecht zu der
vorderen Oberfläche
des Photodetektors 51 ist. Dies bewirkt somit, dass der Oberflächenerfassungsphotodetektor 51 als
ein Kantenerfassungsdetektor fungiert.
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Falls
jedoch der Spiegel 54 und der Photodetektor 51 direkt
an dem Befestigungsbauglied 32 befestigt sind (4–5),
ist ein zusätzlicher
Rahmenträger
erforderlich, um den Spiegel 54 mit Bezug auf den Photodetektor 51 zu
halten und auszurichten. Zusätzlich
ist der Spiegel 54 ein zusätzliches optisches Element,
das an dem Befestigungsbauglied 32 befestigt und ausgerichtet
werden soll. Dies erhöht typischerweise
die Kosten eines Häusens
eines Optoelektronikmoduls mit derartigen diskreten optischen Elementen.
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Unter
Bezugnahme auf 4–5 ist gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung der Spiegel 54 in den Oberflächenerfassungsphotodetektor 51 integriert,
um einen integrierten Photodetektor zu bilden, der identisch mit
jedem der integrierten Photodetektoren 33 und 41 ( 4–5)
ist. Dies vereinfacht die Befestigung der integrierten Photodetektoren 33 und 41 an
dem Befestigungsbauglied 32 und reduziert die Häusungskosten
des Optoelektronikmoduls 30. In diesem Fall fungiert jeder
der integrierten Photodetektoren 33 und 41 als
ein Kantenerfassungsphotodetektor. Zusätzlich ist lediglich eine Ausrichtung
erforderlich, um jeden der integrierten Photodetektoren 33 und 41 an
dem Befestigungsbauglied 32 zu befestigen, und es erfordert
nicht jeder der integrierten Photodetektoren 33 und 41 eine
Ausrichtung des Spiegels mit dem Photodetektor während einer Befestigung. Zudem
ermöglicht
die Integration, dass jeder der integrierten Photodetektoren 33 und 41 durch eine
Chargenverarbeitung gefertigt werden kann, derart, dass die Kosten
reduziert werden, die der Integration zugeordnet sind.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung kann jeder der integrierten Photodetektoren 33 und 41 eine
andere optische Komponente als einen Spiegel in den Photodetektor integrieren.
Die integrierte optische Komponente kann beispielsweise ein wellenlängenabhängiger Reflektor
(d. h. ein optisches Filter) sein.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist jeder der integrierten Photodetektoren 33 und 41 unter
Verwendung von Halbleitermaterial gefertigt. Dies bedeutet, dass
der Spiegel in jedem der integrierten Photodetektoren 33 und 41 ebenfalls
unter Verwendung von Halbleitermaterial gefertigt sein kann. Alternativ
kann der Spiegel in jedem der integrierten Photodetektoren 33 und 41 durch
andere Typen von Materialien gefertigt sein. Es können beispielsweise
Keramikmaterialien und/oder Metalle verwendet werden, um den Spiegel
herzustellen.
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Ein
Verwenden von Halbleitermaterial, um einen Spiegel herzustellen
und in einen Oberflächenerfassungshalbleiterphotodetektor
zu integrieren, ermöglicht
die Verwendung des photolithographischen Maskierens und Ätzens, das
bei einem Fertigen von integrierten Halbleiterschaltungen häufig verwendet wird.
Dies ermöglicht,
dass der Spiegel mit einem hohen Maß an Genauigkeit während einer
Fertigung mit dem Photodetektor ausgerichtet werden kann. Zusätzlich ermöglicht ein
Verwenden von Halbleitermaterial und eines photolithographischen
Prozesses, dass eine große
Anzahl der integrierten Photodetektoren 33 und 41 aus
einem einzigen gebondeten Siliziumwafer durch eine Chargenverarbeitung
hergestellt werden kann, wobei so die Kosten reduziert werden, die
der Integration zugeordnet sind. Dies ermöglicht ebenfalls, dass jeder
der integrierten Photodetektoren 33 und 41 klein
sein kann. Die Struktur und das Fertigungsverfahren jedes der integrierten Photodetektoren 33 und 41 wird
unten in Verbindung mit 7–10E detailliert
beschrieben.
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7 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines integrierten Photodetektors 60,
der einen der integrierten Photodetektoren 33 und 41 von 4–5 darstellt. 8 zeigt
die Seitenquerschnittsansicht des integrierten Photodetektors 60 entlang
einer Linie 8-8 von 7. 9 ist eine Draufsicht
des integrierten Photodetektors 60. Wie es aus 7–9 zu
sehen ist, umfasst der integrierte Photode tektor 60 einen
Oberflächenerfassungsphotodetektor 61 und
eine Spiegelbefestigung 63. Der Photodetektor 61 umfasst
einen aktiven Bereich 62. Der Photodetektor 61 ist
ein Halbleiterphotodetektor. Dies bedeutet, dass der aktive Bereich 62 an
einem Halbleitersubstrat gebildet ist. Jede der vorderen und der
hinteren Oberfläche 70 und 71 des Photodetektors 61 ist
mit einer Metallschicht (nicht gezeigt) beschichtet, die als eine
Elektrode des Photodetektors 61 dient.
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Die
Spiegelbefestigung 63 kann aus einem Halbleiter oder anderen
Arten von Materialien hergestellt sein. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist das Material, das verwendet wird, um die Spiegelbefestigung 63 herzustellen,
ein monokristallines <100>-Siliziummaterial.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist das monokristalline <100>-Siliziummaterial ein
monokristallines n+-<100>-Siliziummaterial.
Bei anderen Ausführungsbeispielen
kann die Spiegelbefestigung 63 aus Keramikmaterialien oder
Metallen hergestellt sein. Die Spiegelbefestigung 63, die
unten beschrieben ist, verwendet das monokristalline <100>-Siliziummaterial als
ein Beispiel.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
liegen die obere und die untere Oberfläche der Spiegelbefestigung 63 auf
den kristallographischen <100>-Ebenen der <100>-Silizium-Spiegelbefestigung 63.
Bei anderen Ausführungsbeispielen
liegen die obere und die untere Oberfläche der Spiegelbefestigung 63 nicht auf
den <100>-Ebenen und schneiden
die <100>-Ebenen in einem vorbestimmten Winkel.
Die Spiegelbefestigung 63 umfasst eine Öffnung 80 in einer
Seite 81 der Spiegelbefestigung 63. Die Öffnung 80 liegt
in einer Schwalbenschwanzform vor und ist durch drei geneigte Seitenwände 64–66 definiert. Alle
der Seitenwände 64–66 liegen
auf einer kristallographischen <111>-Ebene der kristallinen
Spiegelbefestigung 63. Wenn die obere und die untere Oberfläche der
Spiegelbefestigung 63 auf den <100>-Ebenen liegen, schneidet
jede der Seitenwände 64–66 die obere
und die untere Oberfläche
der Spiegelbefestigung 63 in einem Winkel von näherungsweise 54,7°, wie es
in 8 gezeigt ist.
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Dadurch,
dass bewirkt wird, dass die Seitenwände 64–66 auf
den <111>-Ebenen liegen, sind
die Seitenwände 64–66 sehr
glatt gemacht und zeigen einen spiegelähnlichen Effekt. Dies bedeutet,
dass jede der Seitenwände 64–66 in
der Tat eine reflektierende Oberfläche ist und als ein Reflektor
oder ein Spiegel fungieren kann.
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Um
das Reflexionsvermögen
der Seitenwände 64–66 zu
erhöhen,
wird eine stark reflektierende Metallschicht (z. B. die Metallschichten 74–76 von 8–9)
auf jede der Seitenwände 64–66 aufgebracht.
Wenn die Metallschichten 74–76 an den Seitenwänden 64–66 gebildet
sind, dient jede der Metallschichten 74–76 als ein Spiegel
oder Reflektor. Wenn nicht jede der Seitenwände 64–66 mit
einer Metallschicht versehen ist, fungiert jede der Seitenwände 64–66 als
ein Spiegel oder Reflektor.
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Zusätzlich ist
auch eine Metallschicht (in 7–9 nicht
gezeigt) auf jede der oberen und der unteren Oberfläche 72–73 der
Spiegelbefestigung 63 aufgebracht. Dies ermöglicht,
dass die Metallschicht an der unteren Oberfläche 73 der Spiegelbefestigung 63 die
Metallschicht an der oberen Oberfläche 72 der Spiegelbefestigung 63 über die
Metallschichten 74–76 kontaktiert.
Diese Verbindung ermöglicht,
dass die Metallschicht an der unteren Oberfläche 73 der Spiegelbefestigung 63 als
eine der Elektroden des Photodetektors 61 fungiert, wenn
der Photodetektor 61 an der Spiegelbefestigung 63 angebracht
ist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist die stark reflektierende Metallschicht eine Goldschicht. Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
ist die stark reflektierende Metallschicht eine Aluminiumschicht.
Alternativ können
andere Metalle verwendet werden, um die stark reflektierende Metallschicht
zu bilden.
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Alternativ
sind die Seitenwände 64–66 eventuell
nicht mit einer Metallschicht versehen. Anstelle dessen sind eine
oder mehrere dielektrische Schichten auf eine oder alle der Seitenwände 64–66 aufgebracht,
um einen wellenlängenabhängigen Reflektor (d.
h. ein optisches Filter) zu bilden. Zusätzlich kann auch eine dielektrische
Schicht auf eine oder alle der Metallschichten 74–76 aufgebracht
sein, um die Metallschichten 74–76 davor zu schützen, durch
irgendein Bondmaterial verschlechtert zu werden, das auf die Metallschichten 74–76 überfließen kann.
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Der
Photodetektor 61 ist an der Spiegelbefestigung 63 angebracht.
Die Anbringung ist derart, dass der aktive Bereich 62 des
Photodetektors 61 der Öffnung 80 der
Spiegelbefestigung 63 zugewandt ist. In diesem Fall ist
der aktive Bereich 62 des Photodetektors 61 mit
dem Spiegel 74 in der Öffnung 80 mit näherungsweise
54,7° ausgerichtet,
wie es aus 8 zu sehen ist. Zusätzlich fungieren
die Abschnitte 67 und 68 der Spiegelbefestigung 63 hinten den
Seitenwänden 65 und 66 als
zwei Schultern, um den Photodetektor 61 um die Öffnung 80 herum
zu tragen. Die drei Spiegel 74–76 unter dem aktiven
Bereich 62 des Photodetektors 61 verbessern die
Lichtsammeleffizienz, wenn der eingehende Lichtstrahl einen relativ
großen
Divergenzwinkel aufweist. Zusätzlich
dient die Öffnung 80 unter
dem aktiven Bereich 62 auch als eine Abschirmung gegen
das ungewollte Streulicht, das andernfalls den aktiven Bereich 62 des
Photodetektors 61 erreichen kann, was einen Rauschpegel
des Photodetektors 61 reduziert.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist der Photodetektor 61 unter Verwendung eines leitfähigen Epoxyds
oder eines anderen leitfähigen
Haftmaterials an die Spiegelbefestigung 63 gebondet. Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
wird ein Lötmittel
verwendet, um den Photodetektor 61 an die Spie gelbefestigung 63 zu
bonden. Alternativ können
andere Bondmechanismen verwendet werden, um den Photodetektor 61 an
der Spiegelbefestigung 63 anzubringen.
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10A–10E zeigen den Prozess eines Fertigens des integrierten
Photodetektors 60 von 7–9 unter
Verwendung einer Chargenverarbeitung. Wie es aus 10A zu sehen ist, ist ein monokristallines <100>-Siliziumsubstrat 200 vorgesehen.
Die obere und die untere Oberfläche
des Substrats 200 sind kristallographische <100>-Oberflächen. Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist das Siliziumsubstrat 200 ein n+-Siliziumsubstrat.
Alternativ können
andere Materialien für
das Substrat 200 verwendet werden. Zum Beispiel können Keramikmaterialien
und Metalle verwendet werden, um das Substrat 200 herzustellen.
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Das
Substrat 200 unterliegt dann einer photolithographischen
Maskierung und einer anisotropen Ätzung, um eine Anzahl von im
Wesentlichen pyramidenförmigen
Hohlräumen
in dem Substrat 200 zu bilden, eine für jeden Photodetektor aus einem
Photodetektorwafer 300 (in 10C und 10D gezeigt), der an dem Substrat 200 angebracht
werden soll. 10A zeigt lediglich pyramidenförmige Hohlräume 210 und 211,
die in dem Substrat 200 gebildet sind. In der Praxis sind
viel mehr pyramidenförmige Hohlräume in dem
Substrat 200 gebildet.
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Wie
es aus 10A zu sehen ist, ist eine Maskenschicht 201,
um die pyramidenförmigen Hohlräume (z.
B. die pyramidenförmigen
Hohlräume 210 und 211)
in dem Substrat 200 zu bilden, an der oberen Oberfläche des
Substrats 200 aufgebracht, wobei eine Anzahl von Öffnungen
in vorbestimmten Beabstandungsabständen definiert ist. Die obere Oberfläche des
Substrats 200 ist an jeder der Öffnungen freiliegend. Eine
Maskenschicht 202 ist an der unteren Oberfläche des
Substrats 200 aufgebracht.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist jede der Öffnungen
im Wesentlichen rechteckig. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
ist jede der Öffnungen quadratisch.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist jede der Maskenschichten 201–202 eine Si3N4-Maskenschicht.
Alternativ können
andere Typen bekannter Maskenschichten verwendet werden.
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Das
Substrat 200 wird dann unter Verwendung von beispielsweise
dem KOH-Ätzmittel
(d. h. Kaliumhydroxid) anisotrop durch die Öffnungen hindurch geätzt, um
die pyramidenförmigen
Hohlräume (z.
B. die pyramidenförmigen
Hohlräume 210 und 211)
zu bilden. Das anisotrope Ätzen
bewirkt, dass die Seitenwände
von jedem der pyramidenförmigen Hohlräume, die
in dem Substrat 200 gebildet sind, auf den kristallographischen <111>-Ebenen des Substrats 200 liegen,
die die obere und die untere Oberfläche des Substrats 200 mit
näherungsweise
54,7° schneiden.
Wie es oben beschrieben ist, schneiden die kristallographischen <111>-Ebenen des Substrats 200 die <100>-Oberflächen des
Substrats 200 mit näherungsweise
54,7°. Zusätzlich sind
durch ein Bewirken, dass die Seitenwände auf den kristallographischen <111>-Ebenen des Substrats 200 liegen, die
Seitenwände
sehr glatt gemacht und zeigen einen spiegelähnlichen Effekt.
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Die
Dicke des Substrats 200 ist gewählt, derart, dass zumindest
eine der Seitenwände
von jedem der Hohlräume
eine ausreichende Oberflächenfläche zum
Bilden eines Spiegels aufweist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Dicke
des Substrats 200 näherungsweise
200 μm.
Alternativ kann die Dicke des Substrats 200 größer oder
kleiner als 200 μm
sein.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel,
und wie es in 10A–10E gezeigt
ist, verläuft
jeder der pyramidenförmigen
Hohlräume,
die in dem Substrat 200 gebildet sind, durch das untere
Ende des Substrats 200 hindurch. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
verläuft
nicht jeder der pyramidenförmigen Hohlräume, die
in dem Substrat 200 gebildet sind, durch das untere Ende
des Substrats 200 hindurch.
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Die
Maskenschichten 201 und 202 werden dann von dem
Substrat 200 entfernt und es werden eine Metallschicht 221 und
eine Metallschicht 220 auf die obere bzw. die untere Oberfläche des
Substrats 200 aufgebracht, wie es in 10B gezeigt ist. Die Metallschicht 221 wird
ebenfalls auf die Seitenwände von
jedem der pyramidenförmigen
Hohlräume
aufgebracht. Zum Beispiel wird die Metallschicht 221 auf jede
der Seitenwände 212 und 213 des
pyramidenförmigen
Hohlraums 210 und jede der Seitenwände 215 und 216 des
pyramidenförmigen
Hohlraums 211 aufgebracht.
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Die
Metallschicht 221 ist eine stark reflektierende Metallschicht.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist
die Metallschicht 221 eine Goldschicht. Bei einem anderen
Ausführungsbeispiel
ist die Metallschicht 221 eine Aluminiumschicht. Alternativ
können
andere stark reflektierende Metalle verwendet werden.
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Die
Metallschicht 221, die an den Seitenwänden von jedem der Hohlräume aufgebracht
ist, erhöht die
Refraktivität
der spiegelähnlichen
Seitenwände von
jedem der Hohlräume
von näherungsweise
30 % auf einen viel höheren
Wert. Zum Beispiel kann eine Goldschicht das Reflexionsvermögen auf
näherungsweise
98 % erhöhen.
Dies bewirkt, dass ein Spiegel (z. B. der Spiegel 214 oder 217)
an jeder Seitenwand jedes Hohlraums gebildet wird. Weil jede Seitenwand jedes
Hohlraums auf der kristallographischen <111>-Ebene
liegt, ist der Spiegel (z. B. der Spiegel 214 oder 217),
der an jeder Seitenwand gebildet ist, deshalb bei den 54,7° mit Bezug
auf die obere und die untere Oberfläche des Substrats 200 fixiert.
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Alternativ
erstreckt sich die Metallschicht 221 nicht in die Seitenwände von
jedem der pyramidenförmigen
Hohlräume
hinein. In diesem Fall ist der Spiegel (z. B. der Spiegel 214 oder 217)
einfach durch die spiegelähnlichen
Seitenwände
(z. B. die Seitenwände 215 und 212)
gebildet. Dies ist so, weil jede der Seitenwände von jedem Hohlraum eine spiegelähnliche
Oberfläche
aufweist und als ein Spiegel oder Reflektor fungieren kann.
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Zusätzlich können eine
oder mehrere dielektrische Schichten direkt auf die Seitenwände (z.
B. die Seitenwände 212 und 215)
jedes Hohlraums aufgebracht werden, derart, dass wellenlängenabhängige Reflektoren
(d. h. optische Filter) an den Seitenwänden der Hohlräume gebildet
sind.
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Mit
Bezug auf 10C kann eine dielektrische
Beschichtung (z. B. die dielektrische Beschichtung 250 und 253)
selektiv auf die Spiegel (z. B. die Spiegel 214 und 217)
in jedem Hohlraum aufgebracht werden. Die dielektrische Beschichtung 250 wird
z. B. auf den Spiegel 214 aufgebracht und die dielektrische
Beschichtung 253 wird auf den Spiegel 217 aufgebracht.
Der Zweck des Aufbringens der dielektrischen Beschichtungen besteht
darin, zu verhindern, dass der Spiegel durch irgendein Bondmaterial
verschlechtert wird, das zu den Spiegeloberflächen übergeflossen ist. Alternativ
kann die dielektrische Beschichtung weggelassen werden. Die dielektrische
Beschichtung kann irgendeine bekannte geeignete dielektrische Beschichtung
sein und das Aufbringungsverfahren kann irgendein bekanntes Dielektrikumbeschichtungsaufbringungsverfahren sein.
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Das
Substrat 200 wird dann an den Photodetektorwafer 300 gebondet.
Wie es aus 10C zu sehen ist, ist der Wafer 300 ein
Wafer, an dem eine Anzahl von Halbleiteroberflächenerfassungsphotodetektoren
(durch die jeweiligen aktiven Bereiche derselben dargestellt, wie
beispielsweise die aktiven Bereiche 301 und 302)
in einem vorbestimmten Beabstandungsabstand gefertigt sind. Der
vorbestimmte Beabstandungsabstand entspricht dem vorbestimmten Beabstandungsabstand
für die
Hohlräume, die
an dem Substrat 200 gebildet sind. Dies ermöglicht somit,
dass die Photodetek toren des Photodetektorwafers 300 mit
den Spiegeln in den Hohlräumen
des Substrats 200 ausgerichtet werden, wenn der Wafer 300 an
das Substrat 200 gebondet wird. Die Fertigung des Photodetektorwafers 300 ist
auf dem Gebiet bekannt und wird unten nicht detailliert beschrieben.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
wird der Photodetektorwafer 300 unter Verwendung eines
leitfähigen
Epoxyds oder anderer Typen von Haftmaterialien an das Substrat 200 gebondet.
In diesem Fall wird das Epoxyd unter Verwendung einer Zentrifugalkraft auf
den Photodetektorwafer 300 aufgebracht. Bei einem anderen
Ausführungsbeispiel
wird der Photodetektorwafer 300 unter Verwendung eines
Lötmittels oder
anderer Metallverbindungen an das Substrat 200 gebondet.
In diesem Fall können
die Lötmittelverbindungen
an dem Photodetektorwafer 300 und/oder dem Substrat 200 aufgebracht
werden. Alternativ können
andere Arten von Bondverfahren oder -materialien verwendet werden,
um den Photodetektorwafer 300 an das Substrat 200 zu
bonden. Zum Beispiel kann der Wafer 300 an einer Anzahl von
Punkten unter Verwendung von Lötmittelverbindungen
an das Substrat 200 gebondet werden. Dann kann Epoxyd in
die Zwischenräume
injiziert werden, die durch die Lötmittelverbindungen zwischen
dem Wafer 300 und dem Substrat 200 erzeugt sind,
um die Lötmittelverbindungen
weiter zu verbessern.
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Wie
es aus 10D zu sehen ist, ist der aktive
Bereich (z. B. der aktive Bereich 301 oder 302), wenn
der Photodetektorwafer 300 an das Substrat 200 gebondet
ist, mit dem 54,7°-Spiegel
(z. B. dem Spiegel 214 oder 217) ausgerichtet,
um den integrierten Photodetektor 60 von 7–9 zu
bilden. Der gebondete Wafer 300 und das Substrat 200 werden dann
durch Vereinzelungssägeschnitte
entlang der Sägeschnittlinien
(z. B. der Sägeschnittlinien 400 und 401)
oder durch ein Spalten getrennt, um viele identische Einheiten (z.
B. Einheiten 60a–60c von 10E) des integrierten Photodetektors 60 zu
erzeugen (siehe 7–9). Wie
es aus 10D zu sehen ist, können die
Sägeschnittli nien
außerhalb des
Achsenbereichs von jedem der Photodetektoren in dem Photodetektorwafer 300 vorgenommen
werden. Jede der getrennten Einheiten umfasst einen integrierten
Spiegel und einen Oberflächenerfassungsphotodetektor
(wie es in 10E gezeigt ist). Zusätzlich verbindet
ein Bonden des Photodetektorwafers 300 an das Substrat 200 auch
eine der Elektroden von jedem der Photodetektoren in dem Wafer 300 mit der
Metallschicht 220. Dies macht es für den integrierten Photodetektor 60 einfach,
an dem Befestigungsbauglied 32 von 4–5 befestigt
zu werden. Dies macht es auch einfach, den integrierten Photodetektor 60 mit
anderen Vorrichtungen des Optoelektronikmoduls 30 von 4–5 elektrisch
zu verbinden.
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In
der vorangegangenen Beschreibung wurde die Erfindung Bezug nehmend
auf spezifische Ausführungsbeispiele
derselben beschreiben. Es ist jedoch für Fachleute auf diesem Gebiet
zu erkennen, dass verschiedene Modifizierungen und Veränderungen
hieran vorgenommen werden können,
ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Folglich sollen
die Beschreibung und die Zeichnungen in einem darstellenden und
keinem einschränkenden
Sinn betrachtet werden.