EP1683203A1 - Strahlungsdetektierendes optoelektronisches bauelement - Google Patents

Strahlungsdetektierendes optoelektronisches bauelement

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EP1683203A1
EP1683203A1 EP04765903A EP04765903A EP1683203A1 EP 1683203 A1 EP1683203 A1 EP 1683203A1 EP 04765903 A EP04765903 A EP 04765903A EP 04765903 A EP04765903 A EP 04765903A EP 1683203 A1 EP1683203 A1 EP 1683203A1
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EP
European Patent Office
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radiation
optoelectronic component
zone plate
semiconductor chip
component according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04765903A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Minixhofer
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Ams AG
Original Assignee
Austriamicrosystems AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Austriamicrosystems AG filed Critical Austriamicrosystems AG
Publication of EP1683203A1 publication Critical patent/EP1683203A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L27/14647—Multicolour imagers having a stacked pixel-element structure, e.g. npn, npnpn or MQW elements

Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic component according to the preamble of claim 1, a method for producing such a component and the use of a zone plate in such a component.
  • the sensitivity of radiation-detecting semiconductor components can be improved in that the radiation to be detected is focused in the light-sensitive areas.
  • image sensors which contain integrated arrays of microlenses which serve to focus the received radiation onto a photodiode.
  • color filters are used to achieve sensitivity for different wavelengths or colors.
  • a similar component is also known from US 2002/0197763 AI.
  • color-sensitive radiation-detecting semiconductor components are known from US 5,965,875 and US 2003/0038296 AI.
  • the semiconductor body contains a plurality of radiation-sensitive p-n junctions, which are arranged vertically one above the other.
  • the color sensitivity is based on the fact that short-wave photons are preferably absorbed in the upper regions of the semiconductor body due to the stronger absorption in the semiconductor, and photons with a longer wavelength are preferably absorbed in the lower regions of the semiconductor body.
  • the radiation is focused with refractive optical elements which are substantially larger than the wavelength of the radiation.
  • Diffractive elements based on the principle of light diffraction are known for focusing and / or deflecting light, which have structures in the order of magnitude of the light wavelength.
  • a focusing diffractive element is, for example, a zone plate. Zone plates are used in particular in the field of X-rays for focusing radiation, where the use of lenses is not expedient due to the small refractive index differences between different materials and the strong absorption, for example in an X-ray microscope known from DE 364257 AI.
  • Zone plates consist of structures of concentric rings, the width of the rings decreasing towards the outside.
  • zone plates a distinction must be made between use in the near field diffraction (Fresnel diffraction) and far field diffraction (Fraunhofer diffraction).
  • Fresnel zone plates are known, for example, from E. Hecht, "Optik”, Addison-Wesley (1989). Furthermore, a distinction is made between amplitude and phase zone plates. While with amplitude zone plates, the radiation of every second Fresnel zone is masked out by an absorbing material "In a phase zone plate, a path difference is generated between two adjacent zones by the fact that the materials of the zones differ in their refractive index and / or their thickness. In both embodiments of the zone plates, the focus comes in each case, the position of which depends on the wavelength of the incident radiation, constructive interference.
  • the invention is based on the object of specifying an improved radiation-detecting optoelectronic component which is distinguished in particular by improved sensitivity and the possibility of wavelength-selective radiation detection. Furthermore, a manufacturer be specified for such an optoelectronic component.
  • the optical element is a diffractive optical element.
  • An advantage of focusing the electromagnetic radiation in the radiation-sensitive areas by means of a diffractive element is that the structures of the diffractive element, which are in the order of magnitude of the wavelength of the electromagnetic radiation, can be produced by a photolithographic process which is customary in the production of semiconductor chips.
  • the metallic and / or dielectric layers already present in integrated circuits, for example in CMOS technology, can be used to produce the diffractive element.
  • a diffractive optical element can be formed as a flat structure in the plane of the semiconductor chip.
  • the radiation to be detected can, for example, have a wavelength between approximately 100 nm in the ultraviolet spectral range and approximately 5 ⁇ m in the infrared spectral range.
  • the radiation to be detected can be light from the visible spectral range from approximately 400 nm to 800 nm.
  • the distance between the diffractive element and a radiation-sensitive zone of the semiconductor chip is preferably less than 20 ⁇ m.
  • the diffractive element is in particular a zone plate.
  • D is the diameter of the zone plate and R is the distance between the zone plate and the radiation-sensitive zone, in which radiation with the wavelength ⁇ is detected.
  • the radiation-sensitive zone lies in the near field of the
  • Zone plate which is a Fresnel zone plate.
  • the semiconductor chip can have both one and a plurality of radiation-sensitive zones. It is particularly advantageous if the chromatic aberration of a zone plate is used to produce a color sensitivity of the radiation-detecting component.
  • a plurality of radiation-sensitive zones are preferably arranged one behind the other in the direction of the incident radiation, the radiation-sensitive zones for shorter wavelengths being arranged downstream of those for longer wavelengths.
  • the zone plate With the zone plate, a focusing of the radiation as well as a wavelength selection is achieved at the same time. For example, three radiation-sensitive zones for the primary colors Red, green and blue can be arranged in the different focal planes for the respective color.
  • the zone plate is, for example, an amplitude zone plate in which the zones consist alternately of a transparent and an absorbent material.
  • the absorbent material is e.g. a metal.
  • the zone plate is preferably a binary phase zone plate.
  • the zones consist alternately of one of two transparent materials.
  • these materials can be a silicon oxide or a silicon nitride. Since, in contrast to the amplitude zone plate, in the phase zone plate not half of all zones are masked out by absorption, the radiation amplitude in the focus of a phase zone plate is greater by a factor of 2, that is to say the intensity is greater by a factor of 4 than with an amplitude zone plate.
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated cross section through an embodiment of an optoelectronic component according to the invention
  • Figure 2 is a schematically illustrated plan view of an embodiment of a zone plate.
  • the radiation-detecting semiconductor chip 2 shown in FIG. 1 contains two n-doped regions 4, 6 and P-doped regions 3, 5, which are formed, for example, in the base material silicon.
  • the transition regions between the p-doped and the n-doped regions act as radiation-sensitive zones 7, 8, 9.
  • the electrical contacting and interconnection of the semiconductor component can take place, for example, in a contacting level 19 by means of metallic conductor tracks 16.
  • Electromagnetic radiation 17 incident on the semiconductor chip 2 is focused into the radiation-sensitive zones 7, 8, 9 by a zone plate 1.
  • This focusing on the one hand increases the sensitivity of the component and on the other hand achieves color sensitivity by utilizing the color error of the zone plate (chromatic aberration).
  • the focal length of a zone plate decreases with increasing wavelength of light. Wavelength-selective radiation detection can therefore be achieved in that a plurality of radiation-sensitive zones 7, 8, 9 are arranged one behind the other in the direction of incidence of light 17, the radiation-sensitive zones for shorter wavelengths being subordinate to those for longer wavelengths.
  • the semiconductor chip 2 contains a radiation-sensitive zone 7 in the focal plane 11 for red light, a second radiation-sensitive zone 8 in the focal plane 12 for green light following in the direction of the incident light 17 and subsequently a third radiation-sensitive zone 9 in the Focal plane 13 for blue light.
  • a radiation detector for the three primary colors is implemented.
  • a different number of radiation-detecting regions and a different selection of wavelength regions or colors to be detected are also possible within the scope of the invention.
  • the zone plate 1 is preferably an integral part of the semiconductor chip 2.
  • a dielectric layer 18, on which a metallic or dielectric layer is applied in which the structure of the zone plate 1 is formed by means of photolithographic structuring.
  • the zone plate 1 has a structure of concentric rings, which alternately contains regions 14, 15 made of different materials.
  • the regions 14, 15 can either be formed from materials with different refractive indices ni and n 2 or from an absorbent and a transparent material in each case.
  • the zone plate is covered, for example, with a transparent layer 21, which is used in particular to protect the zone plate. Alternatively, however, it can also be formed on the surface of the semiconductor chip 2.
  • the layers from which the contacting level 19 and the zone plate 1 are formed, as well as the dielectric layer 18 in between, are advantageously components of the layer structure of an integrated circuit. Since integrated circuits contain a layer sequence of metallic and dielectric layers, the zone plate 1 is advantageously produced in one of the already existing layers using a process that is common in semiconductor technology, for example photolithographically. The manufacturing effort is advantageously reduced.
  • zone plate 1 is integrated in the semiconductor chip 2 .
  • the integrated construction prevents the zone plate 1 from being adjusted, by means of which the focal planes 11, 12, 13 could shift relative to the radiation-sensitive zones 7, 8, 9.
  • FIG. 2 A schematically illustrated plan view of a Fresnel zone plate 1, which contains 7 zones and for a focal length of 3 ⁇ m at a wavelength of 550 nm is shown in FIG. 2.
  • the zone plate 1 can be either an amplitude zone plate or a phase zone plate.
  • An amplitude zone plate alternately contains opaque ring zones 14 and translucent ring zones 15.
  • the opaque ring zones 14 contain, for example, a metal and the translucent ring zones 15 contain a dielectric. Alternatively, the translucent areas 15 can also be free of material.
  • the zone plate 1 can also be designed as a phase zone plate.
  • the zone plate contains ring zones 14 made of a material with the refractive index n x and adjacent ring zones 15 made of a material with the refractive index n 2 , both of which are translucent.
  • the two translucent materials can be, for example, a silicon oxide and a silicon nitride. These materials have the advantage that they are typically included in the integrated circuit structures.
  • the manufacture of the zone plate can thus be integrated relatively easily into the manufacturing process of an integrated circuit.
  • Such a layer thickness is in a range customary in semiconductor production. Assuming that If an amplitude zone plate absorbs about half of the incident radiation, the intensity in the focus of a phase zone plate is advantageously about a factor of 4 greater than that of the amplitude zone plate.
  • Structures of this size can be produced using photolithography. For example, a photoresist layer is first applied to a continuous metal layer, onto which a mask containing the structure of the zone plate is then projected. The mask is preferably imaged onto the photoresist in a greatly reduced size in order to avoid the mask already acting as a zone plate and thus focusing the light used for the exposure. The photoresist is then developed, the photoresist being detached, for example, at the exposed locations, and subsequently the ring structure is etched at the locations that are not covered with the photoresist. The etching process can in particular be an anisotropic etching process. The spaces between the ring zones are then either filled with a dielectric or remain free.
  • the zone plate structure is etched into a first dielectric and then filled up with a second dielectric.
  • the spaces can also remain free after the etching process.
  • the surface is then preferably planarized, for example by chemical mechanical polishing (CMP).

Abstract

Bei einem strahlungsdetektierenden optoelektronischen Bauelement mit einem Halbleiterchip (2), der eine oder mehrere strahlungsempfindliche Zonen (7, 8 ,9) zur Detektion elektromagnetischer Strahlung (17) aufweist, erfolgt die Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung (17) in die strahlungsempfindlichen Zonen (7, 8, 9) durch ein diffraktives Element (1), das vorzugsweise in den Halbleiterchip (2) integriert ist. Das diffraktive Element (1) kann insbesondere eine Zonenplatte sein.

Description

Beschreibung
Strahlungsdetektierendes optoelektronisches Bauelement
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements sowie eine Verwendung einer Zonenplatte in einem derartigen Bauelement .
Die Empfindlichkeit strahlungsdetektierender Halbleiterbauelemente kann dadurch verbessert werden, dass die zu detek- tierende Strahlung in die lichtempfindlichen Bereiche fokus- siert wird. Beispielsweise sind aus der US 6,221,687 und der US 6,362,498 Bildsensoren bekannt, die integrierte Arrays aus Mikrolinsen enthalten, die zur Fokussierung der empfangenen Strahlung auf eine Photodiode dienen. Bei den in diesen Dokumenten beschriebenen Bildsensoren werden zur Realisierung einer Empfindlichkeit für verschiedene Wellenlängen bzw. Farben Farbfilter verwendet. Ein ähnliches Bauelement ist auch aus der, US 2002/0197763 AI bekannt.
Andere Ausführungen farbempfindlicher strahlungsdetektierender Halbleiterbauelemente sind aus der US 5,965,875 und der US 2003/0038296 AI bekannt. Bei diesen Bauelementen enthält der Halbleiterkörper mehrere strahlungsempfindliche p-n- Übergänge, die vertikal übereinander angeordnet sind. Die Farbempfindlichkeit beruht dabei darauf, dass kurzwellige Photonen aufgrund der stärkeren Absorption im Halbleiter bevorzugt in den oberen Bereichen des Halbleiterkörpers absor- biert werden und Photonen mit größerer Wellenlänge bevorzugt in den tieferliegenden Bereichen des Halbleiterkörpers absorbiert werden.
Bei den zuvor beschriebenen strahlungsdetektierenden Bauele- menten erfolgt die Fokussierung der Strahlung mit refraktiven optischen Elementen, die wesentlich größer als die Wellenlänge der Strahlung sind. Zur Fokussierung und/oder Umlenkung von Licht sind auf dem Prinzip der Lichtbeugung beruhende diffraktive Elemente bekannt, die Strukturen in der Größenordnung der Lichtwellen- länge aufweisen. Ein fokussierendes diffraktives Element ist zum Beispiel eine Zonenplatte. Zonenplatten werden insbesondere im Bereich der Röntgenstrahlung zur Fokussierung von Strahlung verwendet, wo der Einsatz von Linsen aufgrund der geringen Brechungsindexunterschiede zwischen verschiedenen Materialien und der starken Absorption nicht sinnvoll ist, beispielsweise in einem aus der DE 364257 AI bekannten Rönt- genmikrosko .
Zonenplatten bestehen aus Strukturen konzentrischer Ringe, wobei die Breite der Ringe nach außen hin abnimmt . Bei der Berechnung solcher Zonenplatten ist zwischen der Verwendung im Bereich der Nahfeld-Beugung (Fresnel-Beugung) und der Fernfeld-Beugung (Fraunhofer-Beugung) zu unterscheiden.
Die Berechnung Fresnelscher Zonenplatten ist beispielsweise aus E. Hecht, „Optik", Addison-Wesley (1989), bekannt. Weiterhin wird zwischen Amplituden- und Phasenzonenplatten unterschieden. Während bei Amplitudenzonenplatten die Strahlung jeder zweiten Fresnelschen Zone durch ein absorbierendes Ma- terial ausgeblendet wird, wird bei einer Phasenzonenplatte zwischen zwei benachbarten Zonen ein Gangunterschied dadurch erzeugt, dass sich die Materialien der Zonen in ihrem Brechungsindex und/oder ihrer Dicke unterscheiden. Bei beiden Ausführungsformen der Zonenplatten tritt jeweils im Fokus, dessen Position von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängt, konstruktive Interferenz auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes strahlungsdetektierendes optoelektronisches Bauelement an- zugeben, das sich insbesondere durch eine verbesserte Empfindlichkeit und die Möglichkeit zur wellenlängenselektiven Strahlungsdetektion auszeichnet. Weiterhin soll ein Herstel- lungsverfahren für ein derartiges optoelektronisches Bauelement angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optoelektroni- sches Bauelement nach Patentanspruch 1, ein Verfahren nach
Patentanspruch 16 oder eine Verwendung nach Patentanspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einem optoelektronischen Bauelement mit einem Halbleiterchip, der mindestens eine strahlungsempfindliche Zone zur Detektion elektromagnetischer Strahlung aufweist, und mit einem optischen Element zur Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung in die strahlungsempfindliche Zone, ist das opti- sehe Element ein diffraktives optisches Element.
Ein Vorteil der Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung in die strahlungsempfindlichen Bereiche durch ein diffraktives Element besteht darin, dass die Strukturen des diffraktiven Elements, die in der Größenordnung der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung liegen, durch einen bei der Herstellung von Halbleiterchips üblichen photolithographischen Prozeß hergestellt werden können. Insbesondere können die bei integrierten Schaltkreisen, beispielsweise in CMOS-Technologie, bereits vorhandenen metallischen und/oder dielektrischen Schichten zur Herstellung des diffraktiven E- lements verwendet werden.
Im Vergleich zu refraktiven optischen Elementen ist es beson- ders vorteilhaft, dass ein diffraktives optisches Element als ebene Struktur in der Ebene des Halbleiterchips ausgebildet werden kann. Beispielsweise entfällt dadurch im Vergleich zur Herstellung von Mikrolinsen die technisch vergleichsweise aufwendige Herstellung konvexer Strukturen in der Richtung der einfallenden Strahlung, die senkrecht und/oder schräg zur Ebene des Halbleiterchips verläuft . Die zu detektierende Strahlung kann beispielsweise eine Wellenlänge zwischen etwa 100 nra im ultravioletten Spektralbereich und etwa 5 μm im infraroten Spektralbereich aufweisen. Insbesondere kann es sich bei der zu detektierenden Strahlung um Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich von etwa 400 nm bis 800 nm handeln.
Der Abstand zwischen dem diffraktiven Element und einer strahlungsempfindlichen Zone des Halbleiterchips beträgt vor- zugsweise weniger als 20 μm.
Das diffraktive Element ist insbesondere eine Zonenplatte. Bevorzugt gilt für die Fresnel-Zahl F der Zonenplatte
D2 F = >1, λR
wobei D der Durchmesser der Zonenplatte ist und R der Abstand zwischen der Zonenplatte und der strahlungsempfindlichen Zone, in der Strahlung mit der Wellenlänge λ detektiert wird. Die strahlungsempfindliche Zone liegt dabei im Nahfeld der
Zonenplatte, bei der es sich also um eine Fresnel-Zonenplatte handelt .
Der Halbleiterchip kann sowohl eine als auch mehrere strah- lungsempfindliche Zonen aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die chromatische Aberration einer Zonenplatte dazu ausgenutzt wird, eine Farbempfindlichkeit des strahlungsdetektierenden Bauelements herzustellen. Vorzugsweise sind dazu in der Richtung der einfallenden Strahlung mehrere strah- lungsempfindliche Zonen hintereinander angeordnet, wobei die strahlungsempfindlichen Zonen für kürzere Wellenlängen denen für längere Wellenlängen nachgeordnet sind. Mit der Zonenplatte wird so gleichzeitig eine Fokussierung der Strahlung als auch eine Wellenlängenselektion erreicht. Beispielsweise können drei strahlungsempfindliche Zonen für die Primärfarben Rot, Grün und Blau in den verschiedenen Fokalebenen für die jeweilige Farbe angeordnet sein.
Die Zonenplatte ist beispielsweise eine Amplituden-Zonenplat- te, bei der die Zonen abwechselnd aus einem transparenten und einem absorbierenden Material bestehen. Das absorbierende Material ist z.B. ein Metall.
Vorzugsweise ist die Zonenplatte eine binäre Phasen-Zonen- platte. Die Zonen bestehen dabei abwechselnd aus jeweils einem von zwei transparenten Materialien. Beispielsweise kann es sich bei diesen Materialien um ein Siliziumoxid oder um ein Siliziumnitrid handeln. Da bei der Phasen-Zonenplatte im Gegensatz zur Amplituden-Zonenplatte nicht die Hälfte aller Zonen durch Absorption ausgeblendet wird, ist die Strahlungs- amplitude im Fokus einer Phasen-Zonenplatte um etwa einen Faktor 2 größer, also die Intensität um etwa einen Faktor 4 größer als bei einer Amplituden-Zonenplatte.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei- spielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements gemäß der Erfindung und
Figur 2 eine schematisch dargestellte Aufsicht auf ein Aus- führungsbeispiel einer Zonenplatte.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Der in Figur 1 dargestellte strahlungsdetektierende Halbleiterchip 2 enthält jeweils zwei n-dotierte Bereiche 4, 6 und p-dotierte Bereiche 3, 5, die beispielsweise in dem Grundmaterial Silizium ausgebildet sind. Die Übergangsbereiche zwischen den p-dotierten und den n-dotierten Bereichen fungieren als strahlungsempfindliche Zonen 7, 8, 9. Die elektrische Kontaktierung und Verschaltung des Halbleiterbauelements kann beispielsweise in einer Kontaktierungsebene 19 durch metallische Leiterbahnen 16 erfolgen.
Auf den Halbleiterchip 2 einfallende elektromagnetische Strahlung 17 wird durch eine Zonenplatte 1 in die strahlungsempfindlichen Zonen 7, 8, 9 fokussiert. Durch diese Fokussierung wird einerseits die Empfindlichkeit des Bauelements erhöht und andererseits durch Ausnutzung des Farbfehlers der Zonenplatte (chromatische Aberration) eine Farbempfindlich- keit erreicht. Im Gegensatz zu einer Linse nimmt bei einer Zonenplatte die Brennweite mit zunehmender Wellenlänge des Lichts ab. Eine wellenlängenselektive Strahlungsdetektion kann deshalb dadurch erreicht werden, dass in der Einfallsrichtung des Lichts 17 mehrere strahlungsempfindliche Zonen 7, 8, 9 hintereinander angeordnet sind, wobei die strahlungsempfindlichen Zonen für kürzere Wellenlängen denen für längere Wellenlängen nachgeordnet sind.
Zum Beispiel enthält der Halbleiterchip 2 eine strahlungse p- findliche Zone 7 in der Fokalebene 11 für rotes Licht, eine in der Richtung des einfallenden Lichts 17 nachfolgende zweite strahlungsempfindliche Zone 8 in der Fokalebene 12 für grünes Licht und nachfolgend eine dritte strahlungsempfindliche Zone 9 in der Fokalebene 13 für blaues Licht . In diesem Beispiel ist also ein Strahlungsdetektor für die drei Primärfarben realisiert . Im Rahmen der Erfindung ist auch eine andere Anzahl strahlungsdetektierender Bereiche und eine andere Auswahl zu detektierender Wellenlängenbereiche bzw. Farben möglich.
Die Zonenplatte 1 ist bevorzugt ein integraler Bestandteil des Halbleiterchips 2. Beispielsweise folgt innerhalb des Halbleiterchips auf die Kontaktierungsebene 19, in der die metallischen Leiterbahnen 16 ausgebildet sind, eine dielektrische Schicht 18, auf die eine metallische oder dielektrische Schicht aufgebracht ist, in der durch eine photolitho- graphische Strukturierung die Struktur der Zonenplatte 1 ausgebildet ist. Die Zonenplatte 1 weist eine Struktur konzentrischer Ringe auf, die abwechselnd Bereiche 14, 15 aus verschiedenen Materialien enthält. Die Bereiche 14, 15 können entweder aus Materialien mit verschiedenen BrechungsIndizes ni und n2 oder aus jeweils einem absorbierenden und einem transparenten Material gebildet sein. Die Zonenplatte ist beispielsweise mit einer transparenten Schicht 21 abgedeckt, die insbesondere zum Schutz der Zonenplatte dient. Sie kann alternativ aber auch an der Oberfläche des Halbleiterchips 2 ausgebildet sein.
Die Schichten, aus denen die Kontaktierungsebene 19 und die Zonenplatte 1 ausgebildet sind, sowie die dazwischenliegende dielektrische Schicht 18 sind vorteilhaft Bestandteile der SchichtStruktur eines integrierten Schaltkreises. Da integrierte Schaltkreise eine Schichtenfolge aus metallischen und dielektrischen Schichten enthalten, ist die Zonenplatte 1 vorteilhaft in einer der bereits vorhandenen Schichten mit einem in der Halbleitertechnik üblichen Prozeß, beispielswei- se photolithographisch hergestellt. Der Herstellungsaufwand wird dadurch vorteilhaft reduziert .
Ein weiterer Vorteil der Integration der Zonenplatte 1 in den Halbleiterchip 2 ist, dass im Vergleich zur Montage einer se- parat hergestellten Zonenplatte kein weiterer Aufwand für die
Justierung anfällt. Insbesondere wird durch die integrierte Bauweise eine DeJustierung der Zonenplatte 1, durch die sich die Fokalebenen 11, 12, 13 relativ zu den strahlungsempfindlichen Zonen 7, 8, 9 verschieben könnten, verhindert.
Eine schematisch dargestellte Aufsicht auf eine Fresnelsche Zonenplatte 1, die 7 Zonen enthält und für eine Brennweite von 3 μm bei einer Wellenlänge von 550 nm berechnet wurde, zeigt Fig. 2. Der Durchmesser der Zonenplatte 1 beträgt in diesem Beispiel D = 12,32 μm und die Breite der äußersten Ringzone 307 nm.
Die Zonenplatte 1 kann entweder eine Amplituden-Zonenplatte oder eine Phasen-Zonenplatte sein. Eine Amplituden- Zonenplatte enthält abwechselnd lichtundurchlässige Ringzonen 14 und lichtdurchlässige Ringzonen 15. Die lichtundurchlässi- gen Ringzonen 14 enthalten beispielsweise ein Metall und die lichtdurchlässigen Ringzonen 15 ein Dielektrikum. Alternativ können die lichtdurchlässigen Bereiche 15 auch frei von Material sein.
Die Zonenplatte 1 kann auch als Phasen-Zonenplatte ausgebildet sein. In diesem Fall enthält die Zonenplatte Ringzonen 14 aus einem Material mit dem Brechungsindex nx und benachbarte Ringzonen 15 aus einem Material mit dem Brechungsindex n2, die jeweils beide lichtdurchlässig sind.
Die beiden lichtdurchlässigen Materialien können beispielsweise ein Siliziumoxid und ein Siliziumnitrid sein. Diese Materialien haben den Vorteil, dass sie typischerweise in den Strukturen integrierter Schaltkreise enthalten sind. Die Her- Stellung der Zonenplatte läßt sich somit verhältnismäßig einfach in den Herstellungsprozeß eines integrierten Schaltkreises integrieren. Die Brechungsindizes dieser Materialien betragen beispielsweise bei der Wellenlänge λ = 550 nm nSi02 = 1,46 und nsi3 = 2,05. Um einen Gangunterschied zwischen den Ringzonen 14, 15 aus diesen Materialien von einer Wellenlänge λ zu erzeugen, muß die Dicke d der Zonenplatte 1 d = = 932nm WSi3N — MSiθ2
betragen. Eine derartige Schichtdicke liegt in einem in der Halbleiterfertigung üblichen Bereich. Unter der Annahme, dass eine Amplituden-Zonenplatte etwa die Hälfte der einfallenden Strahlung absorbiert, ist die Intensität im Fokus einer Phasen-Zonenplatte vorteilhaft um ungefähr einen Faktor 4 größer als bei der Amplituden-Zonenplatte.
Tabelle 1:
In der Tabelle 1 sind beispielhaft die Durchmesser D und die minimalen Strukturgroßen lmin, die durch die Breite der äußersten Ringzone gegeben sind, für Zonenplatten angegeben, die jeweils für eine bestimmte Grundwellenlänge λ0 eine Brennweite von f0 = 7 μm aufweisen. Die angegebenen Durchmesser D und minimalen Strukturgrößen lmin gelten jeweils für Zo- nenplatten mit 5 Zonen. Weiterhin sind die aufgrund der chromatischen Aberration variierenden Brennweiten der jeweiligen Zonenplatten für verschiedene Wellenlängen im Bereich zwischen λ = 300 nm und λ = 850 nm angegeben. Die Brennweite f einer Zonenplatte, die bei der Grundwellenlänge λ0 die Brennweite f0 aufweist, beträgt bei der Wellenlänge λ: Für Wellenlängen λ, die kleiner als die Grundwellenlänge λ0 sind, nimmt die Brennweite der Zonenplatte zu, während sie für Wellenlängen oberhalb der Grundwellenlänge abnimmt. Für eine vorgegebene Brennweite f0 nimmt die minimale Strukturgröße lmin der Zonenplatte mit abnehmender Grundwellenlänge λ0 ab. Wie aus der Tabelle hervorgeht, beträgt sie beispielsweise lmir. = 550 nm für λ0 = 850 nm, und lmin = 297 n für λ0 = 300 nm.
Strukturen dieser Größe sind mit Photolithographie herstellbar. Beispielsweise wird zunächst eine Photolackschicht auf ein durchgehende Metallschicht aufgetragen, auf die anschließend eine Maske, die die Struktur der Zonenplatte enthält, projiziert wird. Vorzugsweise wird die Maske stark verklei- nert auf den Photolack abgebildet, um zu vermeiden, dass die Maske bereits als Zonenplatte wirkt und so das zur Belichtung eingesetzte Licht fokussiert. Anschließend erfolgt das Entwickeln des Photolacks, wobei der Photolack zum Beispiel an den belichteten Stellen abgelöst wird, und nachfolgend ein Ätzen der Ringstruktur an den Stellen, die nicht mit dem Photolack bedeckt sind. Der Ätzprozeß kann insbesondere ein anisotroper Ätzprozeß sein. Die Zwischenräume zwischen den Ringzonen werden anschließend wahlweise mit einem Dielektrikum ausgefüllt oder bleiben frei.
Im Fall einer Phasen-Zonenplatte wird die Zonenplattenstruk- tur in ein erstes Dielektrikum geätzt und anschließend mit einem zweiten Dielektrikum aufgefüllt. Bei einer Zonenplatte an der Oberfläche eines Halbleiterchips können die Zwischen- räume nach dem Ätzprozeß auch frei bleiben. Bevorzugt wird die Oberfläche anschließend planarisiert, beispielsweise durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) .
Die Erläuterung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele ist selbstverständlich nicht als Einschränkung auf diese zu verstehen. Vielmehr umfaßt die Erfindung die offenbarten Merkmale sowohl einzeln als auch in jeder Kombination miteinander, auch wenn diese Kombinationen nicht explizit in den Ansprüchen angegeben sind.

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Bauelement mit einem Halbleiterchip (2) , der mindestens eine strahlungsempfindliche Zone (7, 8, 9) zur Detektion elektromagnetischer Strahlung (17) aufweist, und einem optischen Element zur Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung (17) in die strahlungsempfindliche Zone (7, 8, 9), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das optische Element ein diffraktives Element (1) ist, das Strukturen (14, 15) in der Größenordnung der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung (17) aufweist.
2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das diffraktive Element (1) eine Zonenplatte- ist.
3. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das diffraktive Element (1) in den Halbleiterchip (2) integriert ist . . Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die zu detektierende Strahlung (17) eine Wellenlänge zwischen 100 nm und 5 μm aufweist.
5. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die zu detektierende Strahlung (17) Licht im sichtbaren Spektralbereich von etwa 400 nm bis 800 nm ist.
6. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Abstand zwischen dem diffraktiven Element (1) und einer strahlungsempfindlichen Zone (7, 8, 9) weniger als 20 μm beträgt.
7. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h.n e t, d a s s Strahlung mit der Wellenlänge λ in einer strahlungsempfindlichen Zone (7, 8, 9) in einem Abstand R von der Zonenplatte (1) detektiert wird, wobei die Zonenplatte (1) einen Durchmesser D aufweist, und für die Fresnelzahl F der Zonenplatte (1) gilt:
F = (D2 /λ R) > 1
8. Optoelektronisches Bauelement nach einem der nach einem der Ansprüche 2 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Brennweite der Zonenplatte (1) für Strahlung mit der Wellenlänge 550 nm zwischen 1 μm und 20 μm beträgt.
9. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Halbleiterchip (2) mehrere strahlungsempfindliche Zo- nen (7, 8, 9) aufweist, wobei die strahlungsempfindlichen Zonen für kürzere Wellenlängen in Richtung der einfallenden Strahlung (17) denen für längere Wellenlängen nachgeordnet sind.
10. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die strahlungsempfindlichen Zonen (7, 8, 9) jeweils in Fokalebenen (11, 12, 13) des diffraktiven Elements (1) für eine Farbe angeordnet sind.
11. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Halbleiterchip (2) drei strahlungsempfindliche Zonen enthält (7, 8, 9), die in Fokalebenen (11, 12, 13) des diffraktiven Elements (1) für jeweils eine der Primärfarben Rot, Grün und Blau angeordnet sind.
12. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das diffraktive Element (1) durch die Strukturierung einer auf den Halbleiterchip (2) aufgebrachten oder in dem Halbleiterchip (2) enthaltenen Schicht hergestellt ist.
13. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 12 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die strukturierte Schicht eine Metallschicht ist.
14. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Zonenplatte (1) als Phasen-Zonenplatte aus zwei transparenten Materialien (14, 15) mit unterschiedlichen Brechungsindizes nx und n2 ausgebildet ist.
15. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s eines der beiden Materialien ein Siliziumoxid und das zweite der Materialien ein Siliziumnitrid enthält.
16. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das diffraktive optische Element (1) durch eine Struktu- rierung einer auf den Halbleiterchip (2) aufgebrachten o- der in dem Halbleiterchip (2) enthaltenen Schicht hergestellt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Halbleiterchip (2) einen integrierten Schaltkreis enthält .
18. Verwendung einer Zonenplatte (1) zur Fokussierung und/oder Wellenlängenselektion elektromagnetischer Strahlung (17) in eine oder mehrere strahlungsempfindliche Zonen (7, 8, 9) eines strahlungsdetektierenden Halbleiter- Chips (2) .
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