EP1929541A2 - Detektoranordnung und detektorbauelement - Google Patents

Detektoranordnung und detektorbauelement

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EP1929541A2
EP1929541A2 EP06791310A EP06791310A EP1929541A2 EP 1929541 A2 EP1929541 A2 EP 1929541A2 EP 06791310 A EP06791310 A EP 06791310A EP 06791310 A EP06791310 A EP 06791310A EP 1929541 A2 EP1929541 A2 EP 1929541A2
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EP
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detector
chip
semiconductor
semiconductor chip
arrangement according
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Application number
EP06791310A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Höfer
Werner Kuhlmann
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Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a detector arrangement with a detector chip and to a detector component having such a detector arrangement.
  • An object of the present invention is to provide a simplified with reduced space requirements, in particular with reduced mounting surface, realizable detector array. Furthermore, a detector component with a small footprint, in particular a small mounting surface, should be specified.
  • a detector arrangement comprises an optoelectronic, in particular semiconductor-based, detector chip. Furthermore, the detector arrangement preferably comprises a separate microelectronic semiconductor chip. The detector chip is furthermore preferably arranged on the semiconductor chip. Particularly preferably, the detector chip is connected to the semiconductor chip.
  • the detector chip is preferably used as a radiation detector chip for detecting radiation striking the detector chip, in particular visible radiation, which is a detector signal in the detector chip can generate, trained.
  • the semiconductor chip is preferably designed for processing a detector signal generated in the detector chip, for example for amplifying this signal.
  • the detector arrangement comprises a microelectronic semiconductor chip and a separate optoelectronic detector chip, wherein the detector chip is arranged on the semiconductor chip.
  • the space requirement of the detector arrangement in the lateral direction compared to an arrangement of the two chips side by side and laterally spaced from each other, approximately on a support element, advantageously reduced.
  • the area required for mounting the two chips on the carrier element can thus be reduced in relation to a spaced arrangement.
  • an electrically conductive connection which is preferably formed between the detector chip and the semiconductor chip, can take place over advantageously short paths.
  • a signal generated in the detector chip can thus be forwarded to the semiconductor chip for processing in an advantageously short way.
  • a comparatively long electrically conductive connection between the detector chip and the semiconductor chip increases the risk of electromagnetic interference of the signal generated in the detector chip during the Supply of this signal to the semiconductor chip.
  • the semiconductor chip and the detector chip are designed in particular as discrete chips.
  • the individual chips can be manufactured separately in a discrete embodiment and optimized for their respective function.
  • the microelectronic semiconductor chip e.g. has an integrated circuit (IC chip), is preferably based on an element semiconductor material, more preferably on silicon. Silicon is particularly suitable for the formation of a microelectronic chip with an integrated circuit (IC chip), in particular also an amplifier circuit.
  • IC chip integrated circuit
  • the detector chip in particular for radiation detection, a compound semiconductor material or compound semiconductor materials, in particular a III-V compound semiconductor material or III-V compound semiconductor materials, is particularly suitable. Therefore, the detector chip preferably contains or is based on a compound semiconductor material or
  • the detector chip is connected to the semiconductor chip via an electrically conductive connection layer arranged between the semiconductor chip and the detector chip, in particular directly, in an electrically conductive manner.
  • the electrical connection between the semiconductor chip and the detector chip an otherwise electrically conductive connection, such as a bonding wire, be simplified shortened.
  • the risk of coupling electromagnetic interference into the detector arrangement can thus be reduced.
  • the detector chip is preferably electrically conductively connected to the semiconductor chip, in particular to an input of the semiconductor chip.
  • the detector chip can be arranged on the input of the semiconductor chip, wherein the electrically conductive connection can be made with particular advantage over the connection layer.
  • the detector signal is expediently conducted into the semiconductor chip for processing via the input of the semiconductor chip.
  • a side of the detector chip facing away from the semiconductor chip is provided for grounding the detector chip, in particular by means of a bonding wire.
  • a contact which is connected to ground, e.g. via connection of the contact with a bonding wire, is provided, be arranged.
  • the input of the semiconductor chip which is preferably arranged on the side facing away from the grounding side of the detector chip, can be so efficiently shielded against the coupling of electromagnetic interference in the detector array.
  • the detector chip is preferably designed as a diode chip.
  • a diode chip is particularly suitable as a radiation detector.
  • the detector chip is mounted on the semiconductor chip.
  • the detector chip with the semiconductor chip is preferably by means of a adhesion-promoting layer, for example an adhesive layer, connected to the ' semiconductor chip.
  • the adhesion-promoting layer is electrically conductive, in particular at the same time as an electrically conductive connection layer executed.
  • an electrically conductive adhesive layer such as a Silberleitklebertik, particularly suitable.
  • a thickness of the bonding layer is preferably less than or equal to 15 ⁇ m, more preferably less than or equal to 10 ⁇ m.
  • the thickness of the connecting layer is preferably greater than or equal to 3 ⁇ m, more preferably greater than or equal to 5 ⁇ m.
  • Such layer thicknesses, in particular between 5 ⁇ m and 10 ⁇ m inclusive, are particularly reliable for a reliable electrically conductive connection and at the same time reliable attachment of the detector chip to the semiconductor chip via the adhesion-promoting bonding layer and also with regard to the reduced risk of coupling electromagnetic interference into the detector signal suitable .
  • a surface of the semiconductor chip facing the detector chip is larger than a surface of the detector chip facing the semiconductor chip.
  • a surface of the semiconductor chip facing away from the detector chip is provided as a mounting surface for mounting the detector arrangement on a carrier element.
  • the mounting surface is preferably facing the carrier element. Due to the stacked arrangement of detector chip and semiconductor chip is Advantageously, the mounting surface is essentially determined only by the surface of the semiconductor chip facing away from the detector chip. This facilitates an advantageously space-saving installation of the detector arrangement.
  • a height of the detector arrangement is preferably less than or equal to 500 ⁇ m, more preferably less than or equal to 400 ⁇ m. As a result, a low overall height of the detector arrangement is achieved.
  • the semiconductor chip may have a height of 200 ⁇ va or less and / or the detector chip may have a height of 200 ⁇ m or less.
  • the detector chip has a spectral sensitivity distribution that is shaped according to a predetermined spectral sensitivity distribution.
  • the spectral sensitivity distribution of the detector chip is by the dependence of the signal generated in the detector chip signal about the photocurrent or 'contingent size, on the wavelength of the detector chip. given incident radiation.
  • the spectral sensitivity distribution of the detector chip and, by way of example, that of the detector arrangement can be specifically shaped via the design of the detector chip.
  • the detector chip is designed such that the signal generated in the detector chip behaves according to the predetermined spectral sensitivity distribution.
  • the semiconductor chip leaves the fundamental signal shape of the signal after amplification of the signal of the detector chip, for example according to FIG a predetermined spectral sensitivity distribution shaped signal of the detector chip, preferably substantially unchanged.
  • a complex back-correction of a detector signal changed in the amplifier after passing through the amplifier, which was tuned before entering the amplifier to a predetermined spectral sensitivity distribution, can be dispensed with.
  • the predetermined spectral sensitivity distribution preferably has a maximum at a predetermined wavelength X Q.
  • the predetermined spectral sensitivity distribution can be given in particular by that of the human eye. Its maximum is about 555 nm for a light-adapted human eye.
  • the detector arrangement is preferably provided for use as an ambient light sensor. Due to the detector signal which can be amplified in the semiconductor chip, the detector arrangement delivers an advantageously high output signal, which exhibits an advantageously low susceptibility to electromagnetic interference when the semiconductor chip and the detector chip are stacked on one another.
  • the ' detector arrangement for controlling lighting devices, such as the backlighting of displays, such as the display of a mobile phone or a display device in a vehicle, such as a dashboard, particularly suitable.
  • an active region of the detector chip provided for generating detector signals may have a plurality of functional layers of different band gaps and / or thicknesses. At least one of the functional layers preferably absorbs radiation in a wavelength range of the wavelengths greater than X Q. For this purpose, the wavelength corresponding to the band gap of this puncture layer, preferably greater than X Q.
  • the functional layers are preferably made correspondingly thick, so that a correspondingly high radiation power is absorbed in this wavelength range. Accordingly, more and more electron-hole pairs can be generated in the respective 'functional layers, which can lead to an increased signal of the detector chip in this wavelength range.
  • the corresponding functional layers are preferably made correspondingly thin. Over the thickness of the respective functional layer, the .Responsivity of the detector chip (the signal strength generated relative to the radiation power incident on the detector) in the wavelength range assigned to the respective functional layer can be influenced in a targeted manner.
  • the adaptation of the spectral sensitivity distribution of the detector chip to the predetermined spectral sensitivity distribution can be achieved in a simplified manner via the ratio of the thicknesses of the functional layers.
  • an adaptation of the detector sensitivity to the predetermined sensitivity distribution for Wavelengths greater than X Q take place.
  • at least one functional layer has a band gap in the range around the wavelength X Q , so that a comparatively high detector signal is generated in the region around the maximum of the predetermined sensitivity distribution.
  • the active region is preferably integrated in a semiconductor body of the detector chip. Particularly preferably, the active region is formed between two layers of different conductivity type (p-type or n-type).
  • the functional layers are preferably intrinsic, i. undoped, executed and more preferably arranged between the layers of different power type.
  • a filter layer structure with at least one filter layer may be arranged.
  • the filter layer structure is preferably monolithically integrated in the semiconductor body of the detector chip.
  • the filter layer preferably absorbs radiation in a wavelength range that includes wavelengths less than X Q. Radiation power absorbed in the filter layer structure does not reach the active region, so that only a correspondingly reduced signal is generated in the filtered wavelength range.
  • the filter layer structure is expediently arranged outside the active region.
  • the sensitivity of the detector chip for wavelengths smaller than the wavelength XQ of the maximum of the predetermined spectral sensitivity distribution can be formed.
  • a - indirect or direct - band gap of the filter layer preferably has a wavelength smaller than X Q.
  • the filter layer structure has a plurality of filter layers, these are preferably formed with different band gaps and / or thicknesses.
  • the adaptation of the detector sensitivity to the predetermined spectral sensitivity distribution can thus be simplified.
  • the filter layer structure that can be monolithically integrated into the semiconductor body and the formation of the active region, it is possible to dispense with adapting the sensitivity of the detector chip to a predefined sensitivity to external filters, filters which are arranged outside the semiconductor body.
  • the semiconductor body can in particular be grown epitaxially with a spectral sensitivity distribution in accordance with the predetermined sensitivity distribution.
  • III-V compound semiconductor materials preferably materials from the material systems In x Ga y Ali_ x . y P, with O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l and x + y ⁇ l, preferably x ⁇ O and / or y ⁇ O, and / or In x Ga y Ali_ x . y
  • O ⁇ x ⁇ l, O ⁇ y ⁇ l and x + y ⁇ l, preferably x ⁇ O and / or y ⁇ O are for a detector chip, in particular. for detection according to the predetermined sensitivity distribution of the human eye, particularly suitable.
  • particularly high internal quantum efficiencies in signal generation in the active region can be achieved by means of III-V compound semiconductor materials.
  • the material system In x Ga y Ali_ x _ y P is particularly suitable.
  • the filter layers are particularly suitable materials from the material systems Al x Gai_ x As, with O ⁇ x ⁇ l, preferably x> 0, or In x Ga y Ali_ x . y P.
  • the semiconductor body contain elements on Al x Ga ! _ X As base such elements are of the semiconductor body on In x Ga y Ali_ x _ y P base preferably at least partially from the lower material system o, 5 (Ga x Al x) 0.5 P / with O ⁇ x ⁇ l , preferably x> 0, chosen.
  • Al x Ga ⁇ - x As and In 0 , 5 (Gai- X A1 X ) 0 , sP are well lattice matched to each other and also to GaAs, which can be used, for example, as a growth substrate for the semiconductor body.
  • Si-based photodiode chips exhibit a comparatively low spectral sensitivity in the visible spectral range and are sensitive far into the infrared, so that the sensitivity of the Si photodiode chip in the long-wave range is often further enhanced by extensive external filtering for radiation detection in accordance with eye sensitivity. specified sensitivity must be adjusted.
  • an Si-based detector chip may also be suitable, the sensitivity distribution of which is tuned to the human eye via one or a plurality of suitable external filters. Since Si photodiode chips without an upstream filter usually show the greatest sensitivity in the infrared spectral range, however, a detector chip based on III-V semiconductor material for efficient radiation detection in the visible spectral range and especially suitable for an ambient light sensor.
  • a detector component according to the invention comprises a detector arrangement mounted on a carrier element according to the invention.
  • the semiconductor chip is preferably arranged between the detector chip and the carrier element.
  • the component can be realized with advantageously small size. In particular, sizes can be realized, which are usually feasible only for monolithic integrated solutions.
  • the detector arrangement is preferably embedded in a radiation-permeable enclosure.
  • the wrapper can be made clear.
  • filter particles can be used to adjust the spectral
  • Sensitivity distribution customizable sensitivity of the detector chip can be dispensed with.
  • the detector component has a plurality, preferably three or more, external electrical connections which are provided for external electrical contacting of the detector arrangement.
  • the detector component is designed to be surface mountable (SMD: surface mountable device).
  • SMD surface mountable device.
  • the surface mounting technology facilitates the space-saving mounting of the Detector component on an external conductor element, such as a printed circuit board:
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a detector arrangement
  • FIG. 2 shows, on the basis of schematic sectional views in FIGS. 2A and 2B, two exemplary embodiments of a detector chip and, in FIG. 2C, the course of the spectral sensitivity distributions of the two detector chips and the course of the spectral sensitivity distribution of the light-adapted human eye and
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a detector component based on a schematic plan view in FIG. 3A and a schematic sectional view of the detector component along the line A-A from FIG. 3A in FIG. 3B.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an exemplary embodiment of a detector arrangement.
  • the detector arrangement 100 comprises an optoelectronic detector chip 10 for radiation detection and a separate microelectronic semiconductor chip 20.
  • the detector chip 10 is disposed on the semiconductor chip 20 and connected to the semiconductor chip via a connection layer 21 disposed between the semiconductor chip and the detector chip.
  • the detector chip 10 comprises a semiconductor body 1, which may be arranged on a carrier 2.
  • the semiconductor body 1 is preferably monolithically integrated, for example epitaxially grown.
  • the carrier 2 may comprise or be formed from the growth substrate on which a semiconductor layer sequence for the semiconductor body 1 has grown epitaxially.
  • the active region 5 is preferably intrinsic, that is undoped.
  • a filter layer structure 70 is arranged with a filter layer 7.
  • Radiation entrance surface 11 is preferably formed at least by a portion of the semiconductor chip 20 facing away from the surface of the semiconductor body 1.
  • the active region 5 and / or the filter layer 7 preferably contain or are based on a III-V compound semiconductor material.
  • III-V Compound semiconductor materials can be easily formed an active region of high internal quantum efficiency. A radiation fraction absorbed in the active region 5 from a radiation 8 incident on the detector chip 10 thus leads with high probability to an electron-hole pair contributing to the signal of the detector chip 10.
  • III -V compound semiconductor materials in particular materials from the material system In x Ga y P, are particularly suitable for an active region 5 for detecting visible radiation.
  • the filter layer 7 can absorb portions of the radiation 8. Since the filter layer 7 is arranged between the active region 5 and the radiation entrance surface 11, the radiation components which are absorbed in the filter layer 7 contribute to the signal of the detector chip 10 only to a correspondingly reduced extent.
  • the spectral sensitivity distribution of the detector chip 10 - the dependence of the signal generated in the detector chip on the wavelength of the incident radiation - can be simplified according to a predetermined spectral sensitivity distribution, for example that of the human eye.
  • the spectral sensitivity distribution of the detector chip 10 can be adapted to the predetermined spectral sensitivity distribution.
  • the active region 5 preferably comprises a plurality of functional layers. different band gaps and / or thicknesses. These functional layers can absorb radiation components from the incident radiation. The electron-hole pairs generated by the absorption contribute to the signal the radiation detector, wherein on the configuration of the functional layers of the profile of the spectral sensitivity distribution of the detector chip is malleable. This will be explained in more detail in connection with FIGS. 2A to 2C.
  • the detector chip 10 has a first contact 9 and a second contact 12, which are designed, for example, in each case as a metallization.
  • the first contact 9 is preferably arranged on the side of the active region 5 facing away from the semiconductor chip, preferably as a contact applied to the semiconductor body 1.
  • the second contact is preferably arranged on the side facing the semiconductor chip 20, preferably between the semiconductor body 1, in particular the carrier 2, and the connection layer 21, of the active region 5.
  • the first and the second contact are electrically conductively connected to the active region 5, so that a signal generated in the active region can be detected in a simplified manner and fed to the semiconductor chip 20.
  • the semiconductor chip 20 is formed, for example, as an Si-based IC chip for processing the signal generated in the detector chip 10.
  • a photocurrent generated in the detector chip, which is preferably designed as a diode chip, is often of the order of nA, so that an amplification of this signal is helpful for the further utilization of the signal.
  • the semiconductor chip 20 preferably has a base body 22, for example of Si, in which the circuit can be integrated.
  • the semiconductor chip 20 has an input ⁇ 23, over which the detector chip 10 is preferably arranged.
  • the input 23 is preferably designed as a region formed in the base body 22, for example by implantation of a dopant.
  • An electrical input contact 24, for example a metallization, which is electrically conductively connected to the input 23 of the semiconductor chip 20 is preferably arranged on the input 23 of the semiconductor chip 20.
  • the connection layer 21 is preferably designed to be electrically conductive and particularly preferably electrically conductively connected to the input contact.
  • the connection layer 21 which is arranged between the input 23 and the active region 5 of the detector chip 10
  • the detector chip 10 is electrically conductively connected to the input of the semiconductor chip.
  • the detector chip 10 is preferably fastened on the semiconductor chip 20 at the same time by means of the connection branch 21.
  • the bonding layer 21 is preferably designed as an electrically conductive, adhesion-promoting layer, for example as a conductive adhesive layer / in particular as a silver-conductive adhesive layer.
  • the detector chip 10 is preferably electrically conductively connected to the semiconductor chip 20 via the connection layer 21.
  • the input contact 24 and / or the second contact 12 can be dispensed with.
  • a signal generated in the detector chip 10 is applied to the input 23 from the active region 5 via the first semiconductor layer 3, preferably the carrier 1 which is electrically conductive 1 , and the second contact 12 supplied.
  • the electrically conductive connection path can advantageously be made short.
  • the bonding layer 21 has a thickness of between 5 ⁇ m and 10 ⁇ m inclusive.
  • the link has a length in this area.
  • the first contact of the detector chip 10 facing away from the semiconductor chip 20 can be designed or provided for grounding by means of a bonding wire, so that the input 23 of the semiconductor chip 20 is efficiently shielded against coupling of electromagnetic interference into the detector arrangement when the detector chip 10 is earthed on its side facing away from the semiconductor chip 20 is.
  • the detector arrangement 100 is provided with a detector chip 10, the sensitivity of which is designed according to the sensitivity distribution of the human eye, as an ambient light sensor, which due to the gain in the semiconductor chip has a comparatively high output power or a high output signal (an output of the semiconductor chip 20 is not explicitly shown in ' Figure 1) can provide particularly suitable.
  • an ambient light sensor can be used for a particularly accurate brightness control of a lighting or display device according to changes in ambient light, for example in mobile telephones or in the dashboard of a vehicle.
  • an Si-based detector chip optionally with one or a plurality of upstream external filters for adapting the sensitivity via the connection layer, may be attached to the semiconductor chip 20 as an ambient light sensor and electrically conductively connected to the semiconductor chip.
  • a III-V semiconductor based detector chip is particularly suitable for the visible spectral range.
  • a detector chip 10 facing first major surface 25 of 'the semiconductor chip 20 preferably has a larger surface area than a semiconductor chip 20 facing major surface 13 of the detector chip. A stable arrangement of the detector chip 10 on the semiconductor chip 20 is facilitated.
  • a partial surface of the semiconductor chip 20, preferably an area at least partially covering the input 23, may be provided for fastening the detector chip 10. For example, this surface is given by the base body 22 facing away from the surface of the input contact 24. The surface area of this area is preferably larger than that of the main area 13 of the detector chip 10.
  • a second main area 26 of the semiconductor chip 10 facing away from the detector chip 10 is preferably a mounting area for mounting the detector arrangement 100 on a carrier element intended. As a mounting surface of the detector assembly is in this case in particular a carrier element facing surface to be considered.
  • the detector arrangement 100 can be formed particularly compactly, for example with a height H of 400 ⁇ m or less.
  • the lateral space requirement of such a detector arrangement is reduced in relation to that of a detector arrangement with two laterally spaced-apart chips.
  • FIG. 2 shows, on the basis of schematic sectional views in FIGS. 2A and 2B, two exemplary embodiments of a detector chip and, in FIG. 2C, the course of the spectral sensitivity distributions of the two detector chips and the course of the spectral sensitivity distribution of the light-adapted human eye.
  • Such detector chips are particularly suitable for a detector arrangement, for example according to FIG. 1, due to the spectral sensitivity distribution of the detector chips that can be shaped in a simplified manner in accordance with a predetermined spectral sensitivity distribution.
  • the detector chip 10 comprises, according to the exemplary embodiments in FIGS. 2A and 2B, a semiconductor body 1, which is preferably arranged on a carrier 2.
  • the semiconductor body has functional layers 4a, 4b, 4c and 4d of different band gaps and / or thicknesses, which essentially form the active region 5 of the semiconductor body and serve to generate detector signals.
  • the active region 5 is disposed on n-between a semiconductor layer 3, which preferably the carrier is "facing, and conducting p-a semiconductor layer. 6 interim one, the carrier preferably facing away from the radiation entrance surface 11 of the detector chip 10, in particular of the semiconductor body 1, and the active region 5 is a filter layer structure 70 is arranged with at least one filter layer.
  • the semiconductor body with the filter layer structure, the n- and the p-type semiconductor layer and, preferably intrinsically designed, functional layers is preferably formed monolithically integrated.
  • the carrier 2 comprises the growth substrate on which the layers for the semiconductor body are epitaxially, e.g. by MOVPE, or is formed from the growth substrate.
  • the n- or p-type semiconductor layer 3, 6 is preferably doped so highly that forms an extended space charge zone, which extends from the p-type to the n-type semiconductor layer.
  • the functional layers 4a, 4b, 4c, 4d are preferably arranged within this space charge zone.
  • Such a space charge zone may, for example, have a vertical extent of 1100 nm, preferably 1200 nm or more, depending on the concentration of the dopants in the semiconductor layers 3, 6.
  • the functional layers can have certain wavelengths from one into the semiconductor body. 1 absorb incoming radiation 8. With the absorption electron-hole pairs are generated, which, if they are generated in the space charge zone, contribute to the signal of the detector chip, for example, the photocurrent or dependent thereon variables. The strength of the photocurrent as a function of the wavelength of the incident radiation determines the sensitivity of the detector chip to the semiconductor body as a radiation detecting element.
  • the spectral sensitivity of the semiconductor body and hereof the detector chip to a predetermined spectral sensitivity distribution which preferably has a maximum at a predetermined wavelength ⁇ 0 , are tuned.
  • the filter layer structure 70 preferably effects the adaptation of the detector sensitivity to the predefined sensitivity by absorption of components from the incident radiation with wavelengths smaller than ⁇ 0 . Radiation with wavelengths smaller than ⁇ o thus hits the active area only at a reduced intensity. The signal generated in this wavelength range is subsequently adapted to the predefined sensitivity distribution by the absorption in the filter layer structure.
  • the filter layer structure is expediently arranged outside the active region 5, in particular outside the space charge zone.
  • a direct or indirect Band gap of the respective filter layer can in this case correspond to a wavelength smaller than X Q.
  • the filter layer structure 70 is preferably doped and / or has the same conductivity type as the semiconductor layer 6.
  • the wavelength to be absorbed in the respective functional layer or the wavelength range to be absorbed can be set via the band gap of the functional layers.
  • the thickness of the functional layer determines the proportion of absorbed radiation power and thus the contribution to the signal generated in the respective functional layer.
  • the semiconductor body 1 is preferably oriented such that the incident radiation 8 strikes the semiconductor body 1 largely on the part of the radiation entrance surface 11 on the detector chip 10.
  • the functional layers are preferably at least partially, for example via a suitable choice of a direct band gap, designed such that radiation having wavelengths greater than ⁇ 0 is absorbed. This allows the long-wavelength side of the sensitivity distribution for wavelengths greater than ⁇ 0 to be adapted to the predefined sensitivity distribution.
  • the signal can be generated by suitable design of the functional layers according to the course of the predetermined spectral sensitivity distribution, in particular for wavelengths greater than ⁇ 0 .
  • the band gaps of the functional layers preferably correspond at least partially to wavelengths greater than ⁇ 0 .
  • a plurality of the functional layers has a band gap which corresponds to a wavelength greater than ⁇ 0 . This makes it easier to tune the detector sensitivity to the predefined sensitivity on the shortwave side (smaller ⁇ g), since this is then essentially determined only by the filter layer structure and thus the complexity of matching functional layers and filter layer structure can be reduced to one another.
  • the filter layer structure By arranging the filter layer structure outside the space charge zone, the matching of the detector sensitivity to the predefined sensitivity distribution is advantageously facilitated since the filter layer structure is decoupled from the functional layers. This reduces the risk of a disturbing influence of electron-hole pairs generated in the filter layer on the detector signal, which is generated in the region of the functional layers in accordance with the prescribed spectral sensitivity distribution.
  • the decisive for the sensitivity of the detector chip signal is preferably generated substantially in the active region.
  • Such a semiconductor body makes it possible to shape the sensitivity of the detector chip over the arrangement and design of the filter layer structure and the active region according to the predetermined sensitivity distribution. With regard to the functional layers, this is preferred for the long-wavelength side of
  • Detector sensitivity while the filter layer structure preferably determines the short-wavelength side of the detector sensitivity according to the predetermined spectral sensitivity distribution ' . - -
  • the detector chip can be made very space-saving and easy. Additional external filters, such as filter particles, for adaptation to the given sensitivity can be dispensed with.
  • the number of functional layers preferably depends on the spectral width of the given
  • Sensitivity distribution The wider the distribution, the higher the number of functional layers. It has been found that an arrangement of four different functional layers in a heterostructure is often well suited for matching the generated signal to a predetermined spectral sensitivity distribution, in particular that of the human eye.
  • the detector chip 16 can be provided with electrical contacts-for example metallizations arranged on the semiconductor body-in order to be able to further process the signal generated in the semiconductor body.
  • the contacts can be arranged on different sides of the semiconductor body. If the contacts are arranged on different sides of the carrier (see, for example, the contacts 9 and 12 of the detector chip 10 of Figure 1), the carrier is preferably doped accordingly to increase its conductivity.
  • An active region 5 or a semiconductor body 1 which is based on III-V compound semiconductor materials is particularly suitable for adapting the sensitivity of the detector chip 10 to a predetermined spectral sensitivity distribution, in particular in the visible spectral range, since with III-V semiconductor materials height Quantum efficiencies and band gaps, which are suitable for a wide wavelength range, can be realized.
  • its sensitivity has a maximum at a wavelength ⁇ D , which differs preferably by 20 nm, particularly preferably by 10 nm, or less from the wavelength ⁇ 0 of the maximum of the predetermined spectral sensitivity distribution.
  • the detector chip 10 In a preferred embodiment of the detector chip 10, this is designed for the detection of radiation according to the sensitivity distribution of the human eye.
  • the eye sensitivity has a maximum sensitivity at ⁇ 0 ⁇ 555 nm (light-adapted, daytime vision) or at ⁇ 0 «500 nm (dark-adapted, night vision).
  • the predetermined spectral sensitivity distribution in particular that of the human eye, is often stated to be 1 or 100% at the wavelength X 0 .
  • the sensitivity of the detector chip which depends on the signal strength, is often indicated by the responsiveness, ie amperes of the photocurrent generated per watt of the incident radiation power.
  • the semiconductor body is preferably designed such that at any given wavelength, the deviation of the relative values of the detector sensitivity from the predetermined sensitivity distribution is less than 20%, particularly preferably less than 15%.
  • the semiconductor body 1 is preferably based on the III-V semiconductor material systems In x Ga 7 Al 1 - X - Y P and / or In x Ga y Al x - ⁇ As.
  • the functional layers 4a, 4b, 4c and 4d are preferred for these material systems, particularly from the material system Ga x In y Al x - y P, preferably formed with x ⁇ O and / or y ⁇ Q.
  • the band gaps can be adjusted by varying the Al content, whereby a higher Al content can correspond to larger band gaps.
  • the semiconductor body in C s (x Ga 1 -XAl) O 7 BP and / or Al x Ga 1 is based - X As, which are well lattice-matched with each other and also to a GaAs growth substrate.
  • the filter layer structure 70 comprises a single filter layer 7.
  • the filter layer 7 determines the course of the short-wave side of the detector sensitivity, preferably by absorption of wavelengths smaller than ⁇ 0 via an indirect Bandgap.
  • the filter layer is expediently made correspondingly thick.
  • a direct bandgap of the filter layer preferably determines a short wavelength cut-off wavelength of the detector sensitivity. For wavelengths shorter than the short-wave limit, the detector sensitivity disappears or is negligible.
  • the filter layer 7 in a semiconductor body according to the eye sensitivity is preferably formed of Al x Gai_ x As (O ⁇ x ⁇ l) or GaP.
  • semiconductor bodies can be produced monolithically integrated with said functional or filter layer materials.
  • the materials mentioned for the filter layer may have a direct and an indirect band gap, the direct band gap preferably corresponding to a wavelength smaller than X 0 , which particularly preferably determines the short-wave limit of the detector sensitivity.
  • the absorption of incident radiation over the indirect band gap preferably determines the short wavelength side of the detector sensitivity for wavelengths less than ⁇ 0 .
  • the proportion of radiation power absorbed via the indirect band gap can be influenced by the thickness of the filter layer.
  • a detector chip 10 having the following elements and having a filter layer structure with a single filter layer 7 according to FIG. 2A is particularly suitable:
  • the semiconductor body based on In x GayAl; L- x .yP is epitaxially grown by, for example, an MOVPE method.
  • E G designates the band gap of the respective material that is decisive for the absorption, in particular direct, and ⁇ G the wavelength corresponding to this band gap.
  • E G designates the band gap of the respective material that is decisive for the absorption, in particular direct, and ⁇ G the wavelength corresponding to this band gap.
  • an approximately 100 nm thick, p-type highly doped (p + ) In 075 Al 0 , sP layer 6 is produced, followed by an approximately 15 ⁇ m thick p-GaP filter layer 7.
  • the space charge zone caused by the n-type 3 and p-type semiconductor layers 6 extends through the functional layers.
  • the filter layer 7 is arranged outside the space charge zone.
  • Eye sensitivity curve 103 according to the V ( ⁇ ) curve according to the CIE (Commission Internationale l'Eclairage) shown.
  • the sensitivity distribution of a detector chip 10 was measured with a semiconductor body formed according to the above embodiments.
  • the maximum of the eye sensitivity ⁇ 0 and the detector sensitivity ⁇ D , a almost coincide, where ⁇ D , a is slightly greater than ⁇ 0 .
  • the deviation of these wavelengths from each other is preferably 10 nm, more preferably 5 nm or less.
  • the filter layer 7 determines the profile of the shortwave side of the detector sensitivity by absorption over its indirect bandgap. Since GaP has a comparatively flat absorption edge, the filter layer is made relatively thick at 15 ⁇ m, in order to adapt the detector sensitivity to the given value
  • the long-wavelength side 106a of the detector sensitivity is determined by the configuration of the functional layers.
  • the corresponding functional layers 4d and 4c designed to be relatively thick at 500 nm and 400 nm, so that in the radiation detector in this wavelength range, a correspondingly high photocurrent signal is generated.
  • the layer 4b is comparatively thin at 100 nm, since for wavelengths greater than approximately 620 nm the eye sensitivity is comparatively low. In the range greater about 640 to 680 nm, in particular up to 700 nm, the eye sensitivity is very low and the corresponding functional layer 4a is therefore made relatively thin at 50 nm.
  • the filter layer structure 70 in the exemplary embodiment according to FIG. 2B has a plurality of filter layers 7a, 7b and 7c which preferably have different band gaps and / or thicknesses.
  • filter layers 7a, 7b and 7c which preferably have different band gaps and / or thicknesses.
  • two, in particular any, filter layers have different band gaps and particularly preferably different thicknesses.
  • the filter layer structure 70 is preferably designed as a continuous filter layer composite.
  • the p-type semiconductor layer 6 may also be designed for filtering, but this is not absolutely necessary.
  • at least one, particularly preferably all, filter layers of the filter layer structure are highly doped, for example p-type (p + ).
  • the absorption in the filter layers of ⁇ filter layer structure is essentially a direct band gap of the respective filter layer.
  • the filter layer structure according to FIG. 3 can be simplified. be performed relatively thin, without adversely affecting the adaptation to the given spectral
  • the thickness of the filter layer structure 70 may total 1 ⁇ m or less, preferably 0.9 ⁇ m or less.
  • the production costs for such a semiconductor body advantageously decrease.
  • the filter layers 7a, 7b, 7c may each In x Ga y Al x - y P and / or In x Ga y AlX x - y As, In particular, 0, 5 (Ga x Al x) 0/5 P and / or Al x Gai x As.
  • a filter layer structure 70 with a plurality of thin filter layers can be used to avoid a comparatively rapid drop in detector sensitivity in the region of the direct band gap of a thick filter layer.
  • the detector sensitivity can thus also be adapted to the predetermined distribution in the region of the direct band gap of a filter layer or in the region of an outgoing short-wave edge of the predetermined spectral sensitivity distribution.
  • an active area comprising the following elements is particularly suitable:
  • filter layers 7a Ino.sAlo.sP, thickness »400 nm
  • 7b Al o , 7 Ga 0 , 3As, thickness « 250 nm
  • 7c Al o , 8 Ga o , 2 As, thickness «200 nm
  • the thickness of the filter layer structure results in about 850 nm.
  • the spectral sensitivity distribution 102b of a detector chip formed in this way is also shown in FIG. 2C.
  • the basic behavior of the long-wavelength side 106b of the detector sensitivity 102b coincides with that of the detector sensitivity 102a.
  • the long-wavelength side 106b is substantially in accordance with the long-wave ' Side of the given spectral sensitivity distribution 103 of the human eye.
  • ⁇ D , a w is ⁇ D , b.
  • the semiconductor body according to FIG. 2B In contrast to the detector sensitivity 102a, the semiconductor body according to FIG. 2B generates a significant signal for low wavelengths due to the plurality of filter layers which do not determine a sharp lower cut-off wavelength relative to the individual filter layer according to the curve 102a. Even for wavelengths smaller ⁇ i, from about 460 nm, an adaptation of the detector sensitivity to the predetermined spectral sensitivity distribution due to the plurality of filter layers 7a, 7b and 7c thus achieved in a simplified manner. In FIG. 2C, the short-wave side 105b of the detector sensitivity 102b is nevertheless well adapted to the predetermined spectral sensitivity distribution 103 even in the region of comparatively small wavelengths, for example less than 490 nm.
  • the adaptation of the detector sensitivity to the predetermined spectral sensitivity distribution can be improved by means of a plurality of filter layers and absorption of radiation components essentially via their direct band gaps. At the same time, an advantageously small thickness of the filter layer structure is achieved.
  • the Al content of the functional layers may differ from the content given here.
  • a detector chip according to the sensitivity of the eye may optionally be realized.
  • further detector sensitivities differing from the eye sensitivity for example according to a predetermined spectral rectangular distribution, can also be realized.
  • the number of functional layers - four functional layers in the embodiment - is not to be regarded as limiting. It is also possible to provide a different number of functional layers in a semiconductor body for a detector chip.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a detector component based on a schematic plan view in FIG. 3A and a schematic sectional view of the detector component along the line A-A from FIG. 3A in FIG. 3B.
  • the detector device 200 includes a detector assembly 100 mounted on a support member 30, for example, soldered.
  • the detector arrangement 100 is preferably designed according to the exemplary embodiment described in connection with FIG. 1 and comprises the optoelectronic detector chip 10 and the microelectronic semiconductor chip 20, which are connected via the connection layer 21, preferably mechanically stable and electrically conductive.
  • the detector chip is preferably designed in accordance with the statements relating to FIG.
  • the semiconductor chip 20 is arranged between the detector chip 10 and the carrier element 30.
  • the detector arrangement 100 is embedded in a clear, radiation-permeable envelope 36, which is preferably designed without filter particles.
  • the serving for example, Figure 36 includes a reaction resin such as an epoxy or acrylic resin, a silicone resin or a silicone.
  • An Epoxidpressmasse is particularly suitable as a material for the envelope.
  • the sheath preferably protects the detector arrangement and, if appropriate, further elements embedded in the sheath from harmful external influences, such as mechanical stress.
  • the detector device 200 further includes a first external terminal 31, a second external terminal 32, a third external terminal 33, and a fourth external terminal 34 for external electrical contacting of the detector assembly 100.
  • These external terminals of the surface mount detector device 200 may be connected to the traces of a printed circuit board (not shown) electrically conductively connected, for example soldered, are.
  • the external connections are preferably in each case designed as terminal metallization, on which, preferably a plastic-containing, carrier element 30 is executed.
  • the detector arrangement 100 with its second main surface 26 facing away from the detector chip 10, serving as a mounting surface, is mounted on a mounting region 35 formed on the carrier element 30, which is formed for example by a metallization.
  • the first and the second external terminals 31 and 32 are preferably connected to one another, in particular directly, electrically conductively and / or provided during assembly of the component for grounding by laying the terminals to ground potential. If appropriate, the first and the second external connection 31 or 32 can also be designed as a single, common connection.
  • the mounting region 35 is preferably thermally conductively connected to the first and the second external connection 31 and 32, so that heat arising in the semiconductor chip 20 can be dissipated in a simplified manner via the mounting region 35 from the semiconductor chip and the external connections 31 and 32.
  • a wire earthing region 37 which is embodied, for example, as a metallization, is preferably electrically conductively connected to the first and the second external terminal 31, 32, in particular via the mounting region 35, so that the first contact 9 of the detector chip 10 and preferably one on the the first main surface 25 of the semiconductor chip 20 arranged grounding contact 43 by means of a respective bonding wire 38 and 39 via the
  • Drahterdungs Victoria 37 are grounded.
  • the grounding contact 43 and the first contact 9 are for this purpose via the bonding wires 39 and 38 to the wire earthing region 37 electrically connected.
  • the input 23 of the semiconductor chip 20 is advantageously shielded by means of the bonding wire 38 with respect to the coupling in of ambient electromagnetic interference.
  • Induced disturbances e.g. a Störstrom, are instead of the detector chip or the semiconductor chip in this way advantageously simplified to ground potential dissipated.
  • the electrically conductive layer connection between the detector chip 10 and the semiconductor chip 20 via the connection layer 21 also reduces the risk of the coupling of electromagnetic interference into the detector component 200, in particular into the signal of the detector chip generated by the detector chip and conducted into the semiconductor chip.
  • the third external terminal 33 is preferably electrically conductively connected to a supply contact 40, which the semiconductor chip 20 may have, for example by means of a further bonding wire 41. Via the third external connection 33, the semiconductor chip 20 can be supplied in this way with a supply voltage (V cc ).
  • the supply connection 40 is preferably arranged on the first main surface 25 of the semiconductor chip 20 and formed, for example, as a metallization.
  • the fourth external terminal 34 which is preferably connected to an output contact 42, e.g. a metallization, the semiconductor chip 20, for example via a further bonding wire 44, is electrically conductively connected, the signal amplified in the semiconductor chip of the detector chip can be detected.
  • the output contact 42 is preferably arranged on the main surface 25 and electrically conductively connected to an output of the semiconductor chip. The superimposition of the detector chip and the semiconductor chip in combination with the grounding of the first contact facilitates reliable detection and further use of the output signal of the detector component, which is advantageously low-interference or interference-insensitive.
  • a very space-saving detector component 200 in particular with a small mounting area, can be formed.
  • a housing of the detector component 200 which may comprise the carrier element 30 and the sheath 36, has a small space requirement during assembly of the detector component, for example on a printed circuit board.
  • a mounting surface of the device is preferably, the surface of the carrier element 30 facing away from the detector arrangement.

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Abstract

Es wird eine Detektoranordnung (100) mit einem mikroelektronischen Halbleiterchip (20) und einem gesonderten optoelektronischen Detektorchip (10) angegeben, wobei der Detektorchip auf dem Halbleiterchip angeordnet ist. Ferner wird ein Detektorbauelement mit einer derartigen Detektoranordnung angegeben.

Description

Beschreibung
Detektoranordnung und Detektorbauelement
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Detektoranordnung mit einem Detektorchip sowie ein Detektorbauelement mit einer derartigen Detektoranordnung.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vereinfacht mit verringertem Platzbedarf, insbesondere mit verringerter Montagefläche, realisierbare Detektoranordnung anzugeben. Ferner soll ein Detektorbauelement mit geringem Platzbedarf, insbesondere geringer Montagefläche, angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Detektoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 beziehungsweise ein Detektorbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche .
Eine erfindungsgemäße Detektoranordnung umfasst einen optoelektronischen, insbesondere halbleiterbasierten, Detektorchip. Weiterhin umfasst die Detektoranordnung bevorzugt einen gesonderten mikroelektronischen Halbleiterchip. Der Detektorchip ist ferner bevorzugt auf dem Halbleiterchip angeordnet . Besonders bevorzugt ist der Detektorchip mit dem Halbleiterchip verbunden.
Der Detektorchip ist bevorzugt als Strahlungsdetektorchip zur Detektion von auf den Detektorchip treffender, insbesondere sichtbarer, Strahlung, die ein Detektorsignal im Detektorchip erzeugen kann, ausgebildet. Der Halbleiterchip ist vorzugsweise zur Verarbeitung eines im Detektorchip erzeugten Detektorsignals, z.B. zur Verstärkung dieses Signals, ausgebildet .
In einer besonderen Ausführungsform umfasst die Detektoranordnung einen mikroelektronischen Halbleiterchip und einen gesonderten optoelektronischen Detektorchip, wobei der Detektorchip auf dem Halbleiterchip angeordnet ist.
Durch die Anordnung des Detektorchips auf dem mikroelektronischen Halbleiterchip wird der Platzbedarf der Detektoranordnung in lateraler Richtung, gegenüber einer Anordnung der beiden Chips nebeneinander und lateral voneinander beabstandet, etwa auf einem Trägerelement, vorteilhaft verringert . Die für die Montage der beiden Chips auf dem Trägerelement benötigte Fläche kann so gegenüber einer beabstandeten Anordnung verringert werden.
Ferner kann durch die Anordnung der beiden Chips relativ nah zueinander und aufeinander eine elektrisch leitende Verbindung, die bevorzugt zwischen dem Detektorchip und dem Halbleiterchip ausgebildet ist, auf vorteilhaft kurzem Wege erfolgen. Ein im Detektorchip erzeugtes Signal kann dem Halbleiterchip somit auf vorteilhaft kurzem Wege zur Verarbeitung zugeleitet werden. Auf einen langen Bonddraht, etwa einer Länge von einigen 100 μm, kann zu diesem Zwecke verzichtet werden.
Eine vergleichsweise lange elektrisch leitende Verbindungsstrecke zwischen dem Detektorchip und dem Halbleiterchip erhöht die Gefahr einer elektromagnetischen Störung des im Detektorchip erzeugten Signals während der Zuführung dieses Signals zum Halbleiterchip. Die Gefahr, dass dem Halbleiterchip ein bereits erheblich gestörtes Signal zur Verarbeitung zugeführt wird und somit ein Ausgangssignal des Halbleiterchips, das an einem Ausgang des Halbleiterchips, den dieser bevorzugt aufweist, erfasst werden kann, gestört ist, wird so vermindert.
Von besonderer Bedeutung ist dies, falls der . Halbleiterchip als Verstärker, vorzugsweise mit einer in den Halbleiterchip integrierten, zum Beispiel logarithmischen, Verstärkerschaltung, ausgeführt ist. Das in einem Detektorchip erzeugte Signal ist oftmals vergleichsweise gering, beispielsweise ein Photostrom in der Größenordnung von nA, sodass eine Verstärkung dieses Signals zur weitergehenden Verwendung des Detektorsignals oftmals erforderlich ist. Wird dem Halbleiterchip zur Verarbeitung aber ein bereits erheblich gestörtes Signals zugeführt, so werden die Störungen zusammen mit dem Detektorsignal verstärkt. Mittels der Aufeinanderanordnung des Detektorchips und des Halbleiterchips kann die Gefahr einer, derartigen Störung verringert werden und die Detektoranordnung ist mit einer vorteilhaft geringen Anfälligkeit gegenüber äußeren, in die Anordnung einkoppelnden elektromagnetischen Störungen ausbildbar.
Der Halbleiterchip und der Detektorchip sind insbesondere als diskrete Chips ausgeführt. Gegenüber einer monolithisch integrierten Ausführung eines mikroelektronischen Halbleiterelements und eines optoelektronischen Detektorelements können bei einer diskreten Ausführung die Einzelchips vereinfacht gesondert gefertigt und auf ihre jeweilige Funktion hin optimiert werden. - A -
Der mikroelektronische Halbleiterchip, der z.B. eine integrierte Schaltung aufweist (IC-Chip) , basiert bevorzugt auf einem Elementhalbleitermaterial, besonders bevorzugt auf Silizium. Silizium ist für die Ausbildung eines mikroelektronischen Chips mit einer integrierten Schaltung (IC-Chip) , insbesondere auch einer VerstärkerSchaltung, besonders geeignet .
Für einen Detektorchip, insbesondere zur Strahlungsdetektion, ist ein Verbindungshalbleitermaterial oder sind Verbindungshalbleitermaterialien, insbesondere ein III-V- Verbindungshalbleitermaterial beziehungsweise III-V- Verbindungshalbleitermaterialien, besonders geeignet . Bevorzugt enthält oder basiert der Detektorchip daher auf einem Verbindungshalbleitermaterial oder
Verbindungshalbleitermaterialien. Bei der Umwandlung von Strahlung in ein Detektorsignal in einem der Detektorsignalerzeugung dienenden aktiven Bereich des Detektorchips durch Absorption von Strahlung in diesem aktiven Bereich zeichnen sich III -V-
Verbindungshalbleitermaterialien durch vereinfacht erzielbare hohe Quanteneffizienzen aus.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Detektorchip über eine zwischen dem Halbleiterchip und dem Detektorchip angeordnete, elektrisch leitende Verbindungsschicht, insbesondere direkt, elektrisch leitend mit dem Halbleiterchip verbunden.
Mit Vorteil kann über die Ausbildung einer schichtartigen elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Detektorchip und dem Halbleiterchip die elektrische Verbindungsstrecke zwischen dem Halbleiterchip und dem Detektorchip gegenüber einer anderweitigen elektrisch leitenden Verbindung, wie etwa einem Bonddraht, vereinfacht verkürzt werden. Die Gefahr der Einkopplung elektromagnetischer Störungen in die Detektoranordnung kann so vermindert werden.
Bevorzugt ist der Detektorchip mit dem Halbleiterchip, insbesondere mit einem Eingang des Halbleiterchips, elektrisch leitend verbunden. Der Detektorchip kann auf dem Eingang des Halbleiterchips angeordnet sein, wobei die elektrisch leitende Verbindung mit besonderem Vorteil über die Verbindungsschicht erfolgen kann. Über den Eingang des Halbleiterchips wird das Detektorsignal zweckmäßigerweise zur Verarbeitung in den Halbleiterchip geleitet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine dem Halbleiterchip abgewandte Seite des Detektorchips zur Erdung des Detektorchips, insbesondere mittels eines Bonddrahts, vorgesehen. Hierzu kann auf der dem Halbleiterchip abgewandten Seite des Detektorchips ein Kontakt, der zur Erdung, z.B. über Verbindung des Kontakts mit einem Bonddraht, vorgesehen ist, angeordnet sein. Der Eingang des Halbleiterchips, der bevorzugt auf der der Erdungsseite abgewandten Seite des Detektorchips angeordnet ist, kann so effizient gegen die Einkopplung elektromagnetischer Störungen in die Detektoranordnung abgeschirmt werden.
Weiterhin ist der Detektorchip bevorzugt als Diodenchip ausgeführt . Ein Diodenchip ist als Strahlungsdetektor besonders geeignet .
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Detektorchip auf dem Halbleiterchip befestigt. Hierzu ist der Detektorchip mit dem Halbleiterchip bevorzugt mittels einer haftvermittelnden Schicht, beispielsweise einer Klebstoffschicht , mit dem 'Halbleiterchip verbunden. Mit besonderem Vorteil ist die haftvermittelnde Schicht elektrisch leitend, insbesondere zugleich als elektrisch leitende Verbindungsschicht, ausgeführt. Hierzu ist eine elektrisch leitend ausgebildete Klebstoffschicht , etwa eine Silberleitkleberschicht, besonders geeignet.
Ein Dicke der Verbindungsschicht ist bevorzugt kleiner oder gleich 15 μm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 10 μm. Weiterhin ist die Dicke der Verbindungsschicht bevorzugt größer oder gleich 3 μm, besonders bevorzugt größer oder gleich 5 μm. Derartige Schichtdicken, insbesondere zwischen einschließlich 5 μm und einschließlich 10 μm, sind für eine zuverlässige elektrisch leitende Verbindung und zugleich eine zuverlässige Befestigung des Detektorchips auf dem Halbleiterchip über die haftvermittelnde Verbindungsschicht und auch im Hinblick auf die verringerte Gefahr der Einkopplung elektromagnetischer Störungen in das Detektorsignal besonders geeignet .
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine dem Detektorchip zugewandte Oberfläche des Halbleiterchips größer als eine dem Halbleiterchip zugewandte Oberfläche des Detektorchips. Die Anordnung des Detektorchips auf der Oberfläche des Halbleiterchips kann so vereinfacht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine dem Detektorchip abgewandte Oberfläche des Halbleiterchips als Montagefläche zur Montage der Detektoranordnung auf einem , Trägerelement vorgesehen. Hierzu ist die Montagefläche dem Trägerelement vorzugsweise zugewandt. Aufgrund der Aufeinanderanordnung von Detektorchip und Halbleiterchip wird die Montagefläche mit Vorteil im Wesentlichen nur durch die dem Detektorchip abgewandte Oberfläche des Halbleiterchips bestimmt. Dies erleichtert eine vorteilhaft platzsparende Montage der Detektoranordnung.
Weiterhin ist eine Höhe der Detektoranordnung bevorzugt kleiner oder gleich 500 μm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 400 μm. Hierdurch wird eine geringe Bauhöhe der Detektoranordnung erreicht. Beispielsweise kann der Halbleiterchip eine Höhe von 200 μva oder weniger und/oder der Detektorchip eine Höhe von 200 μm oder weniger aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Detektorchip eine spektrale Empfindlichkeitsverteilung auf, die gemäß einer vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung geformt ist.
Die spektrale Empfindlichkeitsverteilung des Detektorchips ist durch die Abhängigkeit des im Detektorchip erzeugten Signals, etwa des Photostroms oder' davon abhängigen Größen, von der Wellenlänge der auf den Detektorchip . einfallenden Strahlung gegeben.
Die spektrale .Empfindlichkeitsverteilung des Detektorchips und hierüber diejenige der Detektoranordnung kann über die Ausbildung des Detektorchips gezielt geformt werden. Bevorzugt ist der Detektorchip derart ausgebildet, dass sich das im Detektorchip erzeugte Signal gemäß der vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung verhält.
Ist der Halbleiterchip als Verstärker ausgebildet, so belässt der Halbleiterchip nach der Verstärkung des Signals des Detektorchips die grundsätzliche Signalform des, z.B. gemäß einer vorgegebenen spektralen Ξmpfindlichkeitsverteilung geformten Signals des Detektorchips, bevorzugt im Wesentlichen unverändert. Auf eine aufwendige Rückkorrektur eines im Verstärker veränderten Detektorsignals, nach dem Durchlaufen des Verstärkers, das bereits vor dem Eintritt in den Verstärker auf eine vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung abgestimmt war, kann so verzichtet werden .
Die vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung weist bevorzugt ein Maximum bei einer vorgegebenen Wellenlänge XQ auf. Die vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung kann insbesondere durch diejenige des menschlichen Auges gegeben sein. Deren Maximum liegt für ein helladaptiertes menschliches Auge bei ungefähr 555 nm.
Die Detektoranordnung ist bevorzugt zum Einsatz als Umgebungslichtsensor vorgesehen. Die Detektoranordnung liefert aufgrund des im Halbleiterchip verstärkbaren Detektorsignals ein vorteilhaft hohes Ausgangssignal, das bei einer Aufeinanderanordnung des Halbleiterchips und des Detektorchips eine vorteilhaft geringe Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen zeigt. Als Umgebungslichtsensor ist die' Detektoranordnung zur Steuerung von Beleuchtungsvorrichtungen, wie der Hinterleuchtung von Anzeigen, etwa der Anzeige eines Mobiltelefons oder einer Anzeigevorrichtung in einem Fahrzeug, z.B. einem Armaturenbrett, besonders geeignet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann ein zur Detektorsignalerzeugung vorgesehener aktiver Bereich des Detektorchips eine Mehrzahl von Funktionsschichten unterschiedlicher Bandlücken und/oder Dicken aufweisen. Bevorzugt absorbiert zumindest eine der Funktionsschichten Strahlung in einem Wellenlängenbereich der Wellenlängen größer als XQ umfasst. Hierzu ist die der Bandlücke dieser Punktionsschicht entsprechende Wellenlänge, bevorzugt größer als XQ. Über eine derartige Ausbildung des aktiven Bereichs kann die Empfindlichkeit des Detektorchips vereinfacht gemäß der vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung geformt werden.
Für Wellenlängenbereiche, in denen die vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung vergleichsweise hohe Werte annimmt, sind die Funktionsschichten vorzugsweise entsprechend dick ausgebildet, sodass eine entsprechend hohe Strahlungsleistung in diesen Wellenlängenbereich absorbiert wird. Dementsprechend können in den jeweiligen' Funktionsschichten vermehrt Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, die zu einem erhöhten Signal des Detektorchips in diesem Wellenlängenbereich führen können. Für Wellenlängenbereiche mit geringeren Werten der vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung sind die entsprechenden Funktionsschichten vorzugsweise entsprechend dünn ausgebildet. Über die Dicke der jeweiligen FunktionsSchicht kann die .Responsivität des Detektorchips (die erzeugte Signalstärke bezogen auf die auf den Detektor einfallende Strahlungsleistung) in dem der jeweiligen FunktionsSchicht zugeordneten Wellenlängenbereich gezielt beeinflusst werden. Über das Verhältnis der Dicken der Funktionsschichten zueinander kann die Anpassung der spektralen Empfindlichkeitsverteilung des Detektorchips an die vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung vereinfacht erzielt werden. Insbesondere kann mittels der Ausbildung des aktiven Bereichs eine Anpassung der Detektorempfindlichkeit an die vorgegebene Ξmpfindlichkeitsverteilung für Wellenlängen größer XQ erfolgen. Bevorzugt weist zumindest eine FunktionsSchicht eine Bandlücke im Bereich um die Wellenlänge XQ auf, sodass im Bereich um das Maximum der vorgegebenen Empfindlichkeitsverteilung ein vergleichsweise hohes Detektorsignal erzeugt wird.
Der aktive Bereich ist bevorzugt in einem Halbleiterkörper des Detektorchips integriert. Besonders bevorzugt ist der aktive Bereich zwischen zwei Schichten unterschiedlichen Leitungstyps (p- oder n-leitend) ausgebildet. Die Funktionsschichten sind bevorzugt intrinsisch, d.h. undotiert, ausgeführt und besonders bevorzugt zwischen den Schichten unterschiedlichen Leistungstyps angeordnet.
Zwischen dem aktiven Bereich und einer
Strahlungseintrittsfläche des Detektorchips, die bevorzugt durch eine dem Halbleiterchip abgewandte Oberfläche des Halbleiterkörpers des Detektorchips gebildet ist, kann eine Filterschichtstruktur mit zumindest einer Filterschicht, angeordnet sein. Die Filterschichtstruktur ist bevorzugt monolithisch im Halbleiterkörper des Detektorchips integriert . Die Filterschicht absorbiert bevorzugt Strahlung in einem Wellenlängenbereich, der Wellenlängen kleiner als XQ umfasst . In der Filterschichtstruktur absorbierte Strahlungsleistung gelangt nicht zum aktiven Bereich, sodass im gefilterten Wellenlängenbereich nur ein dementsprechend verringertes Signal erzeugt wird. Zweckmäßigerweise ist die Filterschichtstruktur außerhalb des aktiven Bereichs angeordnet. Mittels der Filterschichtstruktur kann die Empfindlichkeit des Detektorchips für Wellenlängen kleiner der Wellenlänge XQ des Maximums der vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung geformt werden. Hierzu entspricht eine - indirekte oder direkte - Bandlücke der Filterschicht bevorzugt eine Wellenlänge kleiner XQ .
Weist die Filterschichtstruktur eine Mehrzahl von Filterschichten auf, so sind diese bevorzugt mit unterschiedlichen Bandlücken und/oder Dicken ausgebildet. Die Anpassung der Detektorempfindlichkeit an die vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung kann so vereinfacht werden.
Aufgrund der monolithisch in den Halbleiterkδrper integrierbaren Filterschichtstruktur und der Ausbildung des aktiven Bereichs kann bei der Anpassung der Empfindlichkeit des Detektorchips an eine vorgegebene Empfindlichkeit auf externe Filter, Filter die außerhalb des Halbleiterkörpers, angeordnet sind, verzichtet werden. Der Halbleiterkörper kann insbesondere mit einer spektralen Empfindlichkeitsverteilung gemäß der vorgegebenen Empfindlichkeitsverteilung epitaktisch gewachsen sein.
III-V-Verbindungshalbleitermaterialien, vorzugsweise Materialien aus den Materialsystemen Inx Gay Ali_x.y P, mit O≤x≤l, O≤y≤l und x+y≤l, vorzugsweise x≠O und/oder y≠O, und/oder Inx Gay Ali_x.y As, mit O≤x≤l, O≤y≤l und x+y≤l, vorzugsweise x≠O und/oder y≠O, sind für einen Detektorchip, insbesondere. zur Detektion gemäß der vorgegebenen Empfindlichkeitsverteilung des menschlichen Auges, besonders geeignet. Im sichtbaren Spektralbereich können mittels III-V- Verbindungshalbleitermaterialien besonders hohe interne Quanteneffizienten bei der Signalerzeugung im aktiven Bereich erzielt werden. Für die Ausbildung des aktiven Bereichs, insbesondere der Funktionsschichten, ist das Materialsystem Inx Gay Ali_x_y P besonders geeignet . Für die Filterschichten eignen sich besonders Materialien aus den Materialsystemen AlxGai_xAs, mit O≤x≤l, vorzugsweise x>0, oder Inx Gay Ali_x.y P. Enthält der Halbleiterkörper Elemente auf AlxGa!_xAs-Basis, so sind Elemente des Halbleiterkörpers auf Inx Gay Ali_x_y P-Basis bevorzugt zumindest teilweise aus dem UntermaterialSystem Ino,5 (Gai-xAlx) 0,5p/ mit O≤x≤l, vorzugsweise x>0, gewählt. AlxGaχ-xAs und In0,5 (Gai-XA1X) 0,sP sind untereinander und auch an GaAs, das beispielsweise als Aufwachssubstrat für den Halbleiterkörper verwendet werden kann, gut gitterangepasst .
Photodiodenchips auf Si-Basis dagegen zeigen im sichtbaren Spektralbereich eine vergleichsweise geringe spektrale Empfindlichkeit und sind bis weit ins Infrarote empfindlich, sodass für eine Strahlungsdetektion etwa gemäß der Augenempfindlichkeit, die Empfindlichkeit des Si- Photodiodenchips im langwelligen Bereich oftmals durch aufwändige externe Filterung weitergehend an die .vorgegebene Empfindlichkeit angepasst werden muss.
Für einen Umgebungslichtsensor gemäß der spektralen Empfindlichkeitsverteilung des menschlichen Auges ist daher gegebenenfalls auch ein Detektorchip auf Si-Basis geeignet, dessen Empfindlichkeitsverteilung über einen oder eine Mehrzahl von geeigneten externen Filter auf die des menschlichen Auges hin abgestimmt ist. Da Si-Photodiodenchips ohne einen vorgeordneten Filter aber in der Regel die größte Empfindlichkeit im infraroten Spektralbereich zeigen, ist ein Detektorchip auf III-V-Halbleitermaterialbasis zur effizienten Strahlungsdetektion im sichtbaren Spektralbereich und insbesondere auch für einen Umgebungslichtsensor besonders geeignet .
Ein erfindungsgemäßes Detektorbauelement umfasst eine auf einem Trägerelement montierte erfindungsgemäße Detektoranordnung. Bevorzugt ist der Halbleiterchip zwischen dem Detektorchip und dem Trägerelement angeordnet .
Aufgrund der Aufeinanderanordnung des Detektorchips und des mikroelektronischen Halbleiterchips kann das Bauelement mit vorteilhaft geringer Baugröße realisiert werden. Insbesondere können Baugrößen realisiert werden, die in der Regel nur für monolithisch integrierte Lösungen verwirklichbar sind.
Bevorzugt ist die Detektoranordnung in eine strahlungsdurchlässige Umhüllung eingebettet. Die Umhüllung kann klar ausgeführt sein. Insbesondere kann auf Filterpartikel zur Anpassung der spektralen
Empfindlichkeitsverteilung der Detektoranordnung aufgrund der vereinfacht an eine vorgegebene spektrale
Empfindlichkeitsverteilung anpassbaren Empfindlichkeit des Detektorchips verzichtet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Detektorbauelement eine Mehrzahl, bevorzugt drei oder mehr, externe elektrische Anschlüsse auf, die zur externen elektrischen Kontaktierung der Detektoranordnung vorgesehen sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Detektorbauelement oberflächenmontierbar (SMD: surface mountable device) ausgeführt. Die Oberflächenmontagetechnik erleichtert das platzsparende Montieren des Detektorbauelements auf einem externen Leiterelement, etwa einer Leiterplatte:
Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Detektoranordnung,
Figur 2 zeigt anhand schematischer Schnittansichten in den Figuren 2A und 2B zwei Ausführungsbeispiele eines Detektorchips und in Figur 2C quantitativ den Verlauf der spektralen Empfindlichkeitsverteilungen der beiden Detektorchips und den Verlauf der spektralen Empfindlichkeitsverteilung des helladaptierten menschlichen Auges und
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Detektorbauelements anhand einer schematischen Aufsicht in Figur 3A und einer schematischen Schnittansicht des Detektorbauelements entlang der Linie A-A aus Figur 3A in Figur 3B.
Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eiries Ausführungsbeispiels einer Detektoranordnung.
Die Detektoranordnung 100 umfasst einen optoelektronischen Detektorchip 10 zur Strahlungsdetektion und einen gesonderten mikroelektronischen Halbleiterchip 20. Der Detektorchip 10 ist auf dem Halbleiterchip 20 angeordnet und mit dem Halbleiterchip über eine zwischen dem Halbleiterchip und dem .Detektorchip angeordnete Verbindungsschicht 21 verbunden.
Der Detektorchip 10 umfasst einen Halbleiterkörper 1, der auf einem Träger 2 angeordnet sein kann. Bevorzugt ist der Halbleiterkörper 1 monolithisch integriert, etwa epitaktisch gewachsen, ausgeführt. Der Träger 2 kann das Aufwachssubstrat, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge für den Halbleiterkδrper 1 epitaktisch gewachsen ist, umfassen oder aus diesem gebildet sein.
Weiterhin weist der Detektorchip 10 einen zur
Detektorsignalerzeugung geeigneten aktiven Bereich 5 auf, der zwischen einer ersten Halbleiterschicht 3 und einer zweiten Halbleiterschicht 6, die bevorzugt unterschiedliche Leitungstypen (p-leitend oder n-leitend) aufweisen, ausgebildet ist. Der aktive Bereich 5 ist vorzugsweise intrinsisch, das heißt undotiert, ausgeführt. Zwischen einer, insbesondere dem Halbleiterchip 20 abgewandten, Strahlungseintrittsfläche 11 des Detektorchips 10, die zum Eintritt von Strahlung in den Detektorchip vorgesehen ist, und dem aktiven Bereich 5 ist eine Filterschichtstruktur 70 mit einer Filterschicht 7 angeordnet . Diese Elemente des ' Detektorchips 10 sind vorzugsweise im Halbleiterkörper 1 monolithisch integriert ausgeführt. Die
Strahlungseintrittsfläche 11 ist vorzugsweise zumindest durch einen Teilbereich der dem Halbleiterchip 20 abgewandten Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 gebildet .
Der aktive Bereich 5 und/oder die Filterschicht 7 enthalten oder basieren bevorzugt auf einem III-V- Verbindungshalbleitermaterial . Mittels III-V- Verbindungshalbleitermaterialien kann vereinfacht ein aktiver Bereich hoher interner Quanteneffizienz ausgebildet werden. Ein aus einer auf den Detektorchip 10 einfallenden Strahlung 8 im aktiven Bereich 5 absorbierter Strahlungsanteil führt somit mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem zum Signal des Detektorchips 10 beitragenden Elektron-Loch-Paar. III -V- Verbindungshalbleitermaterialien, insbesondere Materialien aus dem Materialsystem Inx Gay P, sind für einen aktiven Bereich 5 zur Detektion sichtbarer Strahlung besonders geeignet .
Die Filterschicht 7 kann Anteile aus der Strahlung 8 absorbieren. Da die Filterschicht 7 zwischen dem aktiven Bereich 5 und der Strahlungseintrittsfläche 11 angeordnet ist, tragen die Strahlungsanteile, die in der Filterschicht 7 absorbiert werden, nur in dementsprechend verringerten Maße zum Signal des Detektorchips 10 bei. Mittels der Filterschichtstruktur kann die spektrale Empfindlichkeitsverteilung des Detektorchips 10 - die Abhängigkeit des im Detektorchips erzeugten Signals von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung - vereinfacht gemäß einer vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung, zum Beispiel derjenigen des menschlichen Auges, geformt werden.
Auch über die Ausbildung des aktiven Bereichs 5 kann die spektrale Empfindlichkeitsverteilung des Detektorchips 10 an die vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung angepasst werden. Hierzu umfasst der aktive Bereich 5 bevorzugt eine Mehrzahl von Funktionsschichten . unterschiedlicher Bandlücken und/oder Dicken. Diese Funktionsschichten können Strahlungsanteile aus der einfallenden Strahlung absorbieren. Die mittels der Absorption erzeugten Elektron-Loch-Paare tragen zum Signal des Strahlungsdetektors bei, wobei über die Ausgestaltung der Funktionsschichten der Verlauf der spektralen Empfindlichkeitsverteilung des Detektorchips formbar ist. Dies wird im Zusammenhang mit den Figuren 2A bis 2C näher erläutert .
Zur elektrischen Kontaktierung weist der Detektorchip 10 einen ersten Kontakt 9 und einen zweiten Kontakt 12 auf, die beispielsweise jeweils als Metallisierung ausgeführt sind. Der erste Kontakt 9 ist bevorzugt auf der dem Halbleiterchip abgewandten Seite des aktiven Bereichs 5, bevorzugt als auf den Halbleiterkörper 1 aufgebrachter Kontakt, angeordnet. Der zweite Kontakt ist bevorzugt auf der dem Halbleiterchip 20 zugewandten Seite, bevorzugt zwischen dem Halbleiterkörper 1, insbesondere dem Träger 2, und der Verbindungssσhicht 21, des aktiven Bereichs 5 angeordnet. Der erste und der zweite Kontakt sind mit dem aktiven Bereich 5 elektrisch leitend verbunden, sodass ein im aktiven Bereich erzeugtes Signal vereinfacht erfasst und dem Halbleiterchip 20 zugeleitet werden kann.
Der Halbleiterchip 20 ist beispielsweise als IC-Chip auf Si- Basis zur Verarbeitung des im Detektorchip 10 erzeugten Signals ausgebildet. Eine im Halbleiterchip 20 integrierte, insbesondere logarithmische, Verstärkerschaltung, die den grundsätzlichen Signalverlauf des im Detektorchip 10 erzeugten Signals bevorzugt nicht ändert, ist aufgrund des in der Regel vergleichsweise geringen, im Detektorchip 10 erzeugten Signals zur Verarbeitung des Detektorsignals • besonders geeignet. Ein in dem vorzugsweise als Diodenchip ausgeführten Detektorchip erzeugter Photostrom liegt häufig der Größenordnung von nA, so dass eine Verstärkung dieses Signals zur weiteren Verwertung des Signals hilfreich ist. Der Halbleiterchip 20 weist bevorzugt einen Grundkörper 22, zum Beispiel aus Si, auf, in den die Schaltung integriert sein kann. Ferner weist der Halbleiterchip 20 einen Eingang ■ 23 auf, über dem der Detektorchip 10 vorzugsweise angeordnet ist. Der Eingang 23 ist bevorzugt als im Grundkörper 22, zum Beispiel durch Implantation eines Dotierstoffs, ausgebildeter Bereich ausgebildet .
Auf dem Eingang 23 des Halbleiterchips 20 ist bevorzugt ein elektrischer Eingängskontakt 24, zum Beispiel eine Metallisierung, angeordnet, der mit dem Eingang 23 des Halbleiterchips 20 elektrisch leitend verbunden ist. Die Verbindungsschicht 21 ist bevorzugt elektrisch leitend ausgeführt und besonders bevorzugt mit dem Eingangskontakt elektrisch leitend verbunden. Mittels der Verbindungsschicht 21, die zwischen dem Eingang 23 und dem aktiven Bereich 5 des Detektorchips 10 angeordnet ist, ist der Detektorchip 10 mit dem Eingang des Halbleiterchips elektrisch leitend verbunden. Vorzugsweise ist der Detektorchip 10 mittels der Verbindungsschieht 21 zugleich auf dem Halbleiterchip 20 befestigt. Die Verbindungsschicht 21 ist hierzu bevorzugt als elektrisch leitend ausgebildete, haftvermittelnde Schicht, zum Beispiel als Leitkleberschicht/ insbesondere als Silberleitkleberschicht, ausgeführt .
Der Detektorchip 10 ist mit dem Halbleiterchip 20 über die Verbindungsschicht 21 bevorzugt direkt elektrisch leitend verbunden. Auf den Eingangskontakt 24 und/oder den zweiten Kontakt 12 kann gegebenenfalls verzichtet werden.
Ein im Detektorchip 10 erzeugtes Signal wird dem Eingang 23 vom aktiven Bereich 5 aus über die erste Halbleiterschicht 3, vorzugsweise den elektrisch1 leitfähig ausgeführten Träger 2, und den zweiten Kontakt 12 zugeleitet . Aufgrund der Aufeinanderanordnung des Detektorchips 10 und des Halbleiterchips 20 sowie der schichtartigen elektrisch leitenden Verbindung mittels der Verbindungsschicht 21 zwischen den Chips kann die elektrisch leitende Verbindungsstrecke vorteilhaft kurz ausgeführt werden. Vorzugsweise weist die Verbindungsschicht 21 eine Dicke zwischen einschließlich 5 μm und einschließlich 10 μm auf. Mit Vorteil weist dementsprechend auch die Verbindungsstrecke eine Länge in diesem Bereich auf. Die Gefahr einer Einkopplung elektromagnetischer Einflüsse oder das Entstehen durch elektromagnetische Strahlung induzierter Störströme in der Detektoranordnung 100, die das Signal des Detektorchips vor dem Einleiten in den Halbleiterchip 20 verfälschen könnten, kann so bei zuverlässiger Befestigung verringert werden. Von besonderer Bedeutung ist dies, falls die Detektoranordnung zum Einsatz an einem Ort mit vergleichsweise hoher elektromagnetischer Belastung, zum Beispiel in einem Mobiltelefon, vorgesehen ist.
Der dem Halbleiterchip 20 abgewandte erste Kontakt des Detektorchips 10 kann zur Erdung mittels eines Bonddrahts ausgeführt beziehungsweise vorgesehen sein, sodass der Eingang 23 des Halbleiterchips 20 bei einer Erdung des Detektorchips 10 auf dessen dem Halbleiterchip 20 abgewandten Seite gegen Einkopplung elektromagnetischer Störungen in die Detektoranordnung effizient abgeschirmt ist.
Die Detektoranordnung 100 ist mit einem Detektorchip 10, dessen Empfindlichkeit gemäß der Empfindlichkeitsverteilung des menschlichen Auges ausgebildet ist, als Umgebungslichtsensor, der aufgrund der Verstärkung im Halbleiterchip eine vergleichsweise hohe Ausgangsleistung bzw. ein hohes Ausgangssignal (ein Ausgang des Halbleiterchips 20 ist in 'Figur 1 nicht explizit dargestellt) liefern kann, besonders geeignet. Ein derartiger Umgebungslichtsensor kann für eine besonders genaue Helligkeitssteuerung einer Beleuchtungs- oder Anzeigevorrichtung gemäß Änderungen im Umgebungslicht, zum Beispiel in Mobiltelefonen oder im Armaturenbrett eines Fahrzeugs, Anwendung finden.
Als UmgebungsIichtsensor kann auf dem Halbleiterchip 20 gegebenenfalls ein Detektorchip 10 auf Si-Basis, gegebenenfalls mit einem oder einer Mehrzahl von vorgeordneten externen Filtern zur Anpassung der Empfindlichkeit über die Verbindungsschicht befestigt und mit dem Halbleiterchip entsprechend elektrisch leitend verbunden werden. Ein Detektorchip auf III-V-Halbleiterbasis ist für den sichtbaren Spektralbereich jedoch besonders geeignet.
Eine dem Detektorchip 10 zugewandte erste Hauptfläche 25 des' Halbleiterchips 20 weist bevorzugt einen größeren Flächeninhalt auf als eine dem Halbleiterchip 20 zugewandte Hauptfläche 13 des Detektorchips . Eine stabile Anordnung des Detektorchips 10 auf dem Halbleiterchip 20 wird so erleichtert. Eine Teilfläche des Halbleiterchips 20, vorzugsweise eine den Eingang 23 zumindest teilweise überdeckende Fläche, kann zur Befestigung des Detektorchips 10 vorgesehen sein. Beispielsweise ist diese Fläche durch die dem Grundkörper 22 abgewandte Fläche des Eingangskontakts 24 gegeben. Der Flächeninhalt dieser Fläche ist bevorzugt größer als derjenige der Hauptfläche 13 des Detektorchips 10. Eine dem Detektorchip 10 abgewandte zweite Hauptfläche 26 des Halbleiterchips 10 ist bevorzugt als Montagefläche zur Montage der Detektoranordnung 100 auf einem Trägerelement vorgesehen. Als Montagefläche der Detektoranordnung ist hierbei insbesondere eine dem Trägerelement zugewandte Fläche anzusehen.
Ferner kann die Detektoranordnung 100 aufgrund der gestapelten Anordnung des Detektorchips und des Halbleiterchips übereinander besonders kompakt, zum Beispiel mit einer Höhe H von 400 μm oder weniger, ausgebildet werden. Der laterale Platzbedarf einer derartigen Detektoranordnung ist gegenüber dem einer Detektoranordnung mit zwei lateral voneinander beabstandet angeordneten Chips verringert .
Figur 2 zeigt anhand schematischer Schnittansichten in den Figuren 2A und 2B zwei Ausführungsbeispiele eines Detektorchips und in Figur 2C quantitativ den Verlauf der spektralen Empfindlichkeitsverteilungen der beiden Detektorchips und den Verlauf der spektralen Empfindlichkeitsverteilung des helladaptierten menschlichen Auges .
Derartige Detektorchips sind für eine Detektoranordnung, etwa gemäß Figur 1, aufgrund der vereinfacht gemäß einer vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung formbaren spektralen Empfindlichkeitsverteilung der Detektorchips besonders geeignet .
Der Detektorchip 10 umfasst nach den Ausführungsbeispielen in Figur 2A und 2B einen Halbleiterkörper 1, der vorzugsweise auf einem Träger 2 angeordnet ist . Der Halbleiterkδrper weist Funktionsschichten 4a, 4b, 4c und 4d verschiedener Bandlücken und/oder Dicken auf, die im wesentlichen den aktiven Bereich 5 des Halbleiterkörpers bilden und der Detektorsignalerzeugung dienen. Bevorzugt weisen zwei, insbesondere beliebige, Funktionsschichten unterschiedliche Bandlücken und besonders bevorzugt unterschiedliche Dicken auf. Der aktive Bereich 5 ist zwischen einer n-leitenden Halbleiterschicht 3, die bevorzugt dem Träger zugewandt" ist, und einer p-leitenden Halbleiterschicht 6 angeordnet. Zwischen einer, vorzugsweise dem Träger abgewandten, Strahlungseintrittsfläche 11 des Detektorchips 10, insbesondere des Halbleiterkörpers 1, und dem aktiven Bereich 5 ist eine Filterschichtstruktur 70 mit zumindest einer Filterschicht angeordnet .
Der Halbleiterkörper mit der Filterschichtstruktur, der n- und der p-leitenden Halbleiterschicht und den, vorzugsweise intrinsisch ausgeführten, Funktionsschichten ist bevorzugt monolithisch integriert ausgebildet. Besonders bevorzugt umfasst der Träger 2 das Aufwachssubstrat, auf dem die Schichten für den Halbleiterkörper epitaktisch, z.B. mittels MOVPE, gewachsen sind, oder ist aus dem Aufwachssubstrat gebildet.
Die n- bzw. p-leitende Halbleiterschicht 3, 6 ist bevorzugt derart hoch dotiert, dass sich eine ausgedehnte Raumladungszone ausbildet, die von der p-leitenden bis zur n- leitenden Halbleiterschicht reicht . Die Fünktionsschichten 4a, 4b, 4c, 4d sind bevorzugt innerhalb dieser Raumladungszone angeordnet. Eine derartige Raumladungszone kann beispielsweise eine vertikale Ausdehnung von 1100 nm, vorzugsweise 1200 nm oder mehr haben, je nach Konzentration der Dotierstoffe in den Halbleiterschichten 3, 6.
Je nach ihrer genauen Ausbildung - insbesondere hinsichtlich der jeweiligen Bandlücke - können die Funktionsschichten bestimmte Wellenlängen aus einer in den Halbleiterkörper 1 eintretenden Strahlung 8 absorbieren. Mit der Absorption werden Elektron-Loch-Paare erzeugt, die, sofern sie in der Raumladungszone erzeugt werden, zum Signal des Detektorchips, z.B. dem Photostrom oder davon abhängigen Größen, beitragen. Die Stärke des Photostroms in Abhängigkeit von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung bestimmt hierbei die Empfindlichkeit des Detektorchips mit dem Halbleiterkörper als Strahlung detektierendem Element.
Mittels der Ausbildung der Filterschichtstruktur 70 und der Ausbildung der Funktionsschichten 4a, 4b, 4c und 4d kann die spektrale Empfindlichkeit des Halbleiterkörpers und hierüber die des Detektorchips auf eine vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung, die bevorzugt ein Maximum bei einer vorgegebenen Wellenlänge λ0 aufweist, abgestimmt werden.
Vorzugsweise bewirkt die Filterschichtstruktur 70 hierbei die Anpassung der Detektorempfindlichkeit an die vorgegebene Empfindlichkeit durch Absorption von Anteilen aus der einfallenden Strahlung mit Wellenlängen kleiner λ0. Strahlung mit Wellenlängen kleiner λo trifft somit nur noch in verminderter Intensität auf den aktiven Bereich. Das in diesem Wellenlängenbereich erzeugte Signal wird in der Folge durch die Absorption in der Filterschichtstruktur an die vorgegebene Empfindlichkeitsverteilung angepasst.
Die durch Absorption von Strahlung in der
Filterschichtstruktur erzeugten Elektron-Loσh-Paare tragen vorzugsweise im Wesentlichen nicht zum Signal bei. Hierzu ist die Filterschichtstruktur zweckmäßigerweise außerhalb des aktiven Bereichs 5, insbesondere außerhalb der Raumladungszone, angeordnet. Eine direkte oder indirekte Bandlücke der jeweiligen Filterschicht kann hierbei einer Wellenlänge kleiner XQ entsprechen.
Bevorzugt ist die Filterschichtstruktur 70 dotiert ausgeführt und/oder weist den gleichen Leitungstyp wie die Halbleiterschicht 6 auf .
Über die Bandlücke der Funktionsschichten kann die in der jeweiligen Funktionsschicht zu absorbierende Wellenlänge bzw. der zu absorbierende Wellenlängenbereich eingestellt werden. Die Dicke der Funktionsschicht bestimmt den Anteil an absorbierter Strahlungsleistung und somit den in der jeweiligen Funktionsschicht erzeugten Beitrag zum Signal. Bevorzugt ist der Halbleiterkörper 1 so ausgerichtet, dass die einfallende Strahlung 8 auf den Halbleiterkörper 1 größtenteils seitens der Strahlungseintrittsfläche 11 auf den Detektorchip 10 auftrifft.
Die Funktionsschichten sind bevorzugt zumindest teilweise, etwa über geeignete Wahl einer direkten Bandlücke, derart ausgebildet, dass Strahlung mit Wellenlängen größer λ0 absorbiert wird. Hierüber kann die langwellige Seite der Empfindlichkeitsverteilung für Wellenlängen größer λ0 an die vorgegebene Empfindlichkeitsverteilung angepasst werden. Insbesondere kann das Signal durch geeignete Ausbildung der Funktionsschichten gemäß dem Verlauf der vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung, insbesondere für Wellenlängen größer λ0, erzeugt werden.
Ferner entsprechen die Bandlücken der Funktionsschichten bevorzugt zumindest teilweise Wellenlängen größer als λ0. Vorzugsweise weist eine Mehrzahl der Funktionsschichten eine Bandlücke auf,, die einer Wellenlänge größer λ0 entspricht. Dadurch kann die Abstimmung der Detektorempfindlichkeit auf die vorgegebene Empfindlichkeit auf der kurzwelligen Seite (kleiner λg) erleichtert werden, da diese dann im wesentlichen nur durch die Filterschichtstruktur bestimmt wird und so der Aufwand einer Abstimmung von Funktionsschichten und Filterschichtstruktur aufeinander verringert werden kann .
Durch eine Anordnung der Filterschichtstruktur außerhalb der Raumladungszone wird die Abstimmung der Detektorempfindlichkeit auf die vorgegebene Empfindlichkeitsverteilung vorteilhaft erleichtert, da die Filterschichtstruktur von den Funktionsschichten entkoppelt ist. Hierdurch wird die Gefahr eines störenden Einflusses von in der Filterschicht erzeugten Elektron-Loch-Paaren auf das Detektorsignal, das im Bereich der Funktionsschichten gemäß der vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung erzeugt wird, verringert. Das für die Empfindlichkeit des Detektorchips maßgebliche Signal wird vorzugsweise im Wesentlichen im aktiven Bereich erzeugt.
Ein derartiger Halbleiterkörper erlaubt es, die Empfindlichkeit des Detektorchips über die Anordnung und Ausgestaltung der Filterschichtstruktur und des aktiven Bereichs gemäß der vorgegebenen Empfindlichkeitsverteilung zu formen. Hinsichtlich der Funktionsschichten gilt dies bevorzugt für die langwellige Seite der
Detektorempfindlichkeit, während die Filterschichtstruktur bevorzugt die kurzwellige Seite der Detektorempfindlichkeit gemäß der vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung' bestimmt. - -
Der Detektorchip kann sehr platzsparend und einfach hergestellt werden. Auf zusätzliche externe -Filter, etwa Filterpartikel, zur Anpassung an die vorgegebene Empfindlichkeit kann verzichtet werden.
Die Anzahl der Funktionsschichten richtet sich bevorzugt nach der spektralen Breite der vorgegebenen
Empfindlichkeitsverteilung. Je breiter die Verteilung, desto höher die Anzahl der Funktionsschichten. Es hat sich gezeigt, dass eine Anordnung von vier unterschiedlichen Funktionsschichten in einer Heterostruktur für die Abstimmung des erzeugten Signals auf eine vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung, insbesondere die des menschlichen Auges, oftmals gut geeignet ist.
Der Detektorchip 16 kann mit elektrischen Kontakten - beispielsweise auf dem Halbleiterkörper angeordneten Metallisierungen - versehen werden, um das im Halbleiterkörper erzeugte Signal weiter verarbeiten zu können. Die Kontakte können dabei auf verschiedenen Seiten des Halbleiterkörpers angeordnet sein. Sind die Kontakte auf verschiedenen Seiten des Trägers (vgl. z.B. die Kontakte 9 und 12 des Detektorchips 10 aus Figur 1) angeordnet, so ist der Träger zur Erhöhung seiner Leitfähigkeit vorzugsweise entsprechend dotiert .
Ein aktiver Bereich 5 oder- ein Halbleiterkörper 1, der auf III-V-Verbindungshalbleitermaterialien basiert, ist für die Anpassung der Empfindlichkeit des Detektorchips 10 an eine vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung, insbesondere im sichtbaren Spektralbereich, besonders geeignet, da mit III-V-Halbleitermaterialien besonders hohe Quanteneffizienzen und Bandlücken, die für einen weiten Wellenlängenbereich geeignet sind, realisiert werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Detektorchips weist dessen Empfindlichkeit ein Maximum bei einer Wellenlänge λD auf, die bevorzugt um 20 nm, besonders bevorzugt um 10 nm, oder weniger von der Wellenlänge λ0 des Maximums der vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung abweicht .
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Detektorchips 10 ist dieser zur Detektion von Strahlung gemäß der Empfindlichkeitsverteilung des menschlichen Auges ausgebildet. Die Augenempfindlichkeit weist ein Empfindlichkeitsmaximum bei λ0 ∞ 555 nm (helladaptiert, Tagsehen) oder bei λ0 « 500 nm (dunkeladaptiert, Nachtsehen) auf .
Die vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung, insbesondere die des menschlichen Auges, wird häufig so angegeben, dass sie bei der Wellenlänge X0 den Wert 1 beziehungsweise 100% annimmt. Die Empfindlichkeit des Detektorchips, die von der Signalstärke abhängt, wird häufig über die Responsivität, d.h. Ampere des erzeugten Photostroms pro Watt der einfallenden Strahlungsleistung, angegeben.
Zum Vergleich der Detektorempfindlichkeit mit der vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung ist es deshalb zweckmäßig, die beiden Empfindlichkeiten so aneinander anzupassen, dass die vorgegebene Empfindlichkeitsverteilung bei X0 und die Detektorempfindlichkeit bei λD den Wert 100% annehmen (relative Empfindlichkeiten) . Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf relative Empfindlichkeiten, sofern nichts anderes angegeben ist .
Der Halbleiterkörper ist bevorzugt derart ausgebildet, dass bei einer beliebigen vorgegebenen Wellenlänge die Abweichung der relativen Werte der Detektorempfindlichkeit von der vorgegebenen Empfindlichkeitsverteilung kleiner als 20%, besonders bevorzugt kleiner als 15% ist.
Für einen Detektorchip gemäß der Augenempfindlichkeit, insbesondere des helladaptierten menschlichen Auges, basiert der Halbleiterkörper 1 bevorzugt auf den III-V- Halbleitermaterialsystemen InxGa7Al1-X-YP und/oder InxGayAli-x-γAs . Die Funktionsschichten 4a, 4b, 4c und 4d sind bevorzugt aus diesen MaterialSystemen, insbesondere aus dem MaterialSystem InxGayAli-x-yP, vorzugsweise mit x≠O und/oder y≠Q , ausgebildet. Die Bandlücken können hierbei über Variation des Al -Gehalts eingestellt werden, wobei ein höherer Al-Gehalt größeren Bandlücken entsprechen kann. Dies gilt zumindest für Al-Gehalte, für die die genannten Halbleitermaterialsysteme direkte Halbleiter bilden, welche für die Ausbildung der Funktionsschichten bevorzugt sind. Besonders bevorzugt basiert der Halbleiterkörper auf InCs(Ga1-XAlx)O7BP und/oder AlxGa1-XAs, die untereinander und auch an ein GaAs-Aufwachssubstrat gut gitterangepasst sind.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2A umfasst die Filterschichtstruktur 70 eine einzelne Filterschicht 7.
Die Filterschicht 7 bestimmt den Verlauf der kurzwelligen Seite der Detektorempfindlichkeit bevorzugt durch Absorption von Wellenlängen kleiner als λ0 über eine indirekte Bandlücke. Hierzu ist die Filterschicht zweckmäßigerweise entsprechend dick ausgeführt.
Eine direkte Bandlücke der Filterschicht bestimmt vorzugsweise eine kurzwellige Grenzwellenlänge der Detektorempfindlichkeit. Für Wellenlängen kleiner der kurzwelligen Grenze verschwindet die Detektorempfindlichkeit oder ist vernachlässigbar.
Die Filterschicht 7 ist in einem Halbleiterkörper gemäß der Augenempfindlichkeit vorzugsweise aus AlxGai_xAs (O≤x≤l) oder GaP gebildet. Mit Vorteil können Halbleiterkörper mit den genannten Funktions- bzw. Filterschichtmaterialien monolithisch integriert hergestellt sein.
Die für die Filterschicht genannten Materialien können eine direkte und eine indirekte Bandlücke aufweisen, wobei die direkte Bandlücke vorzugsweise einer Wellenlänge kleiner als X0 entspricht, die besonders bevorzugt die kurzwellige Grenze der Detektorempfindlichkeit bestimmt.
GaP beispielsweise weist eine direkte Bandlücke (EG = 2,73 eV) auf, die einer Wellenlänge von ungefähr 455 nm entspricht, während die direkte Bandlücke (EG «= 2,53 eV) von Al0,8Ga0,2As, das für eine Filterschicht verwendet werden kann, ungefähr 490 nm entspricht. Die Absorption von einfallender Strahlung über die indirekte Bandlücke bestimmt vorzugsweise die kurzwellige Seite der Detektorempfindlichkeit für Wellenlängen kleiner λ0. Der Anteil der über die indirekte Bandlücke absorbierten Strahlungsleistung kann über die Dicke der Filterschicht beeinflusst werden. Für einen Detektorchip 10 mit einer spektralen Empfindlichkeitsverteilung gemäß derjenigen des menschlichen helladaptierten Auges ist ein die folgenden Elemente aufweisender Detektorchip 10, der eine Filterschichtstruktur mit einer einzelnen Filterschicht 7 gemäß Figur 2A aufweist, besonders geeignet :
Auf einem Träger 2 aus n-GaAs, der als Aufwachssubstrat dient, wird der auf InxGayAl;L-x..yP basierende Halbleiterkörper epitaktisch, beispielsweise mittels eines MOVPE-Verfahrens, gewachsen. Zunächst wird auf dem GaAs-haltigen Träger 2 eine ungefähr 100 nm dicke hochdotierte (n+) n-leitende Halbleiterschicht 3 aus In0,5Al0,5P gewachsen. Nachfolgend wird der aktive Bereich 5 hergestellt, der die im wesentlichen undotierten Funktionsschichten 4a (In0,5Ga0,5P, Dicke « 50 nm, EG « 1,91 eV, λG » 650 nm) , 4b (In0,5 (Ga0,9Al0,1) 0,sP, Dicke « 100 nm, EG« 1,97 eV, λG « 630 nm) , 4c (In0,5 (Gao,7Alo,3) o,sP, Dicke ~ 400 nm, EG » 2,07 eV, λG « 600 nm) , und 4d (Ino,5 (Ga0,5Al0,5) 0,sP/ Dicke « 500 nm, EG « 2,20 eV, λG = 565 nm) umfasst . EG bezeichnet hierbei die für die Absorption maßgebliche, insbesondere direkte, Bandlücke des jeweiligen Materials und λG die dieser Bandlücke entsprechende Wellenlänge. Nachfolgend wird eine ungefähr 100 nm dicke, p-leitende hochdotierte (p+) In075Al0,sP-Schicht 6 gefolgt von einer ungefähr 15 μm dicken p-GaP Filterschicht 7 hergestellt. Die von der n-leitenden 3 und der p-leitenden Halbleiterschicht 6 hervorgerufene Raumladungszone erstreckt sich durch die Funktionsschichten. Die Filterschicht 7 ist außerhalb der Raumladungszone angeordnet .
Mit einer 15 μm dicken Filterschicht 7 ist ein derartiger Halbleiterkörper 1 für einen Detektorchip jedoch vergleichsweise dick. Die spektrale Empfindlichkeitsverteilung 102a eines gemäß obigen Ausführungen ausgebildeten Detektorchips 10 ist in Figur 2C quantitativ, bezogen auf die
Augenempfindlichkeitskurve 103 gemäß der V (λ) -Kurve nach der CIE (Commission Internationale l'Eclairage) dargestellt. Hierfür wurde die Empfindlichkeitsverteilung eines Detektorchips 10 mit einem gemäß den obigen Ausführungen ausgebildeten Halbleiterkδrper gemessen.
Das Maximum der Augenempfindlichkeit λ0 und der Detektorempfindlichkeit λD,a fallen dabei nahezu zusammen, wobei λD,a leicht größer ist als λ0. Die Abweichung dieser Wellenlängen voneinander beträgt bevorzugt 10 nm, besonders bevorzugt 5 nm, oder weniger. Die kurzwellige Seite 105a der Detektorempfindlichkeit 102a wird dabei durch die Filterschicht 7 bestimmt. Unterhalb einer Grenzwellenlänge λi («= 455 - 465 nm) ist die Detektorempfindlichkeit nahezu Null. Diese Grenzwellenlänge entspricht ungefähr der direkten Bandlücke (EG = 2,73 eV) von GaP. Für Wellenlängen größer λi bestimmt die Filterschicht 7 den Verlauf der kurzwelligen Seite der Detektorempfindlichkeit durch Absorption über ihre indirekte Bandlücke. Da GaP eine vergleichsweise flache Absorptionskante aufweist, ist die Filterschicht mit 15 μm relativ dick ausgeführt, um die Anpassung der Detektorempfindlichkeit an die vorgegebene
Empfindlichkeitsverteilung im Wellenlängenbereich kleiner X0 zu erzielen.
Die langwellige Seite 106a der Detektorempfindlichkeit wird durch die Ausgestaltung der Funktionsschichten bestimmt. Für den Wellenlängenbereich von ungefähr 550 bis ungefähr 620 nm, in dem die Detektor- und die vorgegebene Empfindlichkeit hohe Werte aufweisen, sind die entsprechenden Funktionsschichten 4d und 4c, wie oben dargelegt, mit 500 nm bzw. 400 nm vergleichsweise dick ausgeführt, so dass im Strahlungsdetektor in diesem Wellenlängenbereich ein entsprechend hohes Photostromsignal erzeugt wird. Die Schicht 4b dagegen ist mit 100 nm vergleichsweise dünn ausgeführt, da für Wellenlängen im Bereich größer ungefähr 620 nm die Augenempfindlichkeit vergleichsweise gering ist. Im Bereich größer ungefähr 640 bis 680 nm, insbesondere bis 700 nm, ist die Augenempfindlichkeit sehr gering und die entsprechende Funktionsschicht 4a ist deshalb mit 50 nm vergleichsweise dünn ausgeführt .
Im Gegensatz zu dem in Figur 2A dargestellten Detektorchip 10 weist die Filterschichtstruktur 70 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2B eine Mehrzahl von Filterschichten 7a, 7b und 7c auf, die bevorzugt unterschiedliche Bandlücken und/oder Dicken aufweisen. Bevorzugt weisen zwei, insbesondere beliebige, Filterschichten unterschiedliche Bandlücken und besonders bevorzugt unterschiedliche Dicken auf. Die Filterschichtstruktur 70 ist bevorzugt als durchgehender Filterschichtenverbund ausgeführt .
Die p-leitende Halbleiterschicht 6 kann auch zur Filterung ausgebildet sein, was jedoch nicht zwingend notwendig ist. Bevorzugt ist zumindest eine, besonders bevorzugt sind alle, Filterschichten der Filterschichtstruktur hochdotiert, etwa p-leitend (p+) , ausgeführt.
Die Absorption in den Filterschichten der ■ Filterschichtstruktur erfolgt im Wesentlichen über eine direkte Bandlücke der jeweiligen Filterschicht. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2A, in dem die Filterung und insbesondere die Formung der Detektorempfindlichkeit auf der kurzwelligen Seite hauptsächlich durch Absorption über die indirekte Bandlücke der einzelnen Filterschicht erfolgt, kann die Filterschichtstruktur gemäß Figur 3 vereinfacht . vergleichsweise dünn ausgeführt sein, ohne sich negativ auf die Anpassung an die vorgegebene spektrale
Empfindlichkeitsverteilung auszuwirken. Insbesondere kann die Dicke der Filterschichtstruktur 70 insgesamt 1 μm oder weniger, vorzugsweise 0,9 μm oder weniger, betragen.
Mit einer Verringerung der Dicke der Filterschichtstruktur sinken, etwa aufgrund verringerter Epitaxiezeiten, mit Vorteil die Herstellungskosten für einen derartigen Halbleiterkörper.
Die Filterschichten 7a, 7b, 7c können jeweils auf InxGayAli-x-yP und/oder InxGayAlx-x-yAs , insbesondere In0,5 (Gai-xAlx)0/5P und/oder AlxGai-xAs, basieren.
Über eine Filterschichtstruktur 70 mit einer Mehrzahl von dünnen Filterschichten kann ein vergleichsweise schneller Abfall der Detektorempfindlichkeit im Bereich der direkten Bandlücke einer dicken Filterschicht vermieden werden. Die Detektorempfindlichkeit kann somit auch im Bereich der direkten Bandlücke einer Filterschicht oder im Bereich einer auslaufenden kurzwelligen Flanke der vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung vereinfacht an die vorgegebene Verteilung angepasst werden.
Für einen Detektorchip gemäß Figur 2B, der eine FilterschichtStruktur 70 mit einer Mehrzahl von Filterschichten aufweist, und einer spektralen Empfindlichkeitsverteilung gemäß derjenigen des menschlichen helladaptierten Auges ist ein die folgende Elemente umfassender aktiver Bereich besonders geeignet:
Punktionsschicht 4a (In0,5Ga0,5P, Dicke «= 50 nm, EG«'1,91 eV, λG « 650 nm) , FunktionsSchicht 4b (In0,5 (Ga0,9Al0,1) o,sP, Dicke «= 100 nm, EG » 1,97 eV, λG « 630 nm) , FunktionsSchicht 4c (Ino,5 (Gao,7Al0,3) o,5P/ Dicke « 300 nm, EG « 2,07 eV, λG « 600 nm) , und Funktionsschicht 4d (In0,5 (Ga0,5Al0,5) o,sP/ Dicke « 700 nm, E5 = 2,20 eV, λG «= 565 nm) . Unterschiede zur Ausgestaltung des Halbleiterkörpers gemäß der Augenempfindlichkeit aus Figur 2A zeigen sich in den Dicken der Funktionsschichten 4c und 4d, die aufgrund der Änderung der Filterschichtstruktur dünner bzw. dicker ausgeführt sind.
Für die Filterschichtstruktur 70 sind Filterschichten 7a (Ino.sAlo.sP, Dicke » 400 nm) , 7b (Alo,7Ga0,3As, Dicke « 250 nm) und 7c (Alo,8Gao,2As, Dicke « 200 nm) besonders geeignet. Mit Vorzug ist, falls die p-leitende Halbleiterschicht 6, wie in Figur 2B dargestellt, als Filterschicht 7a ausgebildet ist, die' n-leitende Schicht 3 (In0^Al0,5P, Dicke « 400 nm) in Zusammensetzung und Dicke entsprechend der p-leitenden Halbleiterschicht 6 ausgeführt. Die Dicke der Filterschichtstruktur ergibt sich in der Folge zu ungefähr 850 nm.
Die spektrale Empfindlichkeitsverteilung 102b eines derart ausgebildeten Detektorchips ist ebenfalls in Figur 2C dargestellt .
Der grundsätzliche Verlauf der langwelligen Seite 106b der Detektorempfindlichkeit 102b stimmt mit dem der Detektorempfindlichkeit 102a überein. Die langwellige Seite 106b verläuft im Wesentlichen entsprechend der langwelligen' Seite der vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung 103 des menschlichen Auges. Insbesondere ist λD,a w λD,b.
Im Unterschied zur Detektorempfindlichkeit 102a erzeugt der Halbleiterkörper gemäß Figur 2B, aufgrund der Mehrzahl an Filterschichten, die gegenüber der einzelnen Filterschicht gemäß der Kurve 102a keine scharfe untere Grenzwellenlänge bestimmen, für geringe Wellenlängen ein signifikantes Signal . Auch für Wellenlängen kleiner λi, ab ungefähr 460 nm, ist eine Anpassung der Detektorempfindlichkeit an die vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung aufgrund der- Mehrzahl von Filterschichten 7a, 7b und 7c somit vereinfacht erzielbar. In Figur 2C ist die kurzwellige Seite 105b der Detektorempfindlichkeit 102b dennoch auch im Bereich vergleichsweise geringer Wellenlängen, etwa kleiner als 490 nm, gut an die vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung 103 angepasst.
Insgesamt kann mittels einer Mehrzahl von Filterschichten und Absorption von Strahlungsanteilen im Wesentlichen über deren direkte Bandlücken die Anpassung der Detektorempfindlichkeit an die vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung verbessert werden. Gleichzeitig wird eine vorteilhaft geringe Dicke der Filterschichtstruktur erzielt.
Es sei angemerkt, dass der Al -Gehalt der Funktionsschichten von dem hier angeführten Gehalt abweichen kann. So kann beispielsweise auch mit Funktionsschichten, deren Al-Gehalt um 10% oder weniger, vorzugsweise um 5% oder weniger, von dem oben angeführten Al-Gehaϊt abweicht, gegebenenfalls ein Detektorchip gemäß der Augenempfindlichkeit realisiert werden . Durch geeignete Ausbildung der Funktionsschichten und der Filterschichtstruktur und deren Abstimmung aufeinander können auch weitere, von der Augenempfindlichkeit abweichende Detektorempfindlichkeiten, beispielsweise gemäß einer vorgegebenen spektralen Rechteckverteilung, realisiert werden. Weiterhin ist die Anzahl der Funktionsschichten - vier Funktionsschichten im Ausführungsbeispiel - nicht als beschränkend anzusehen. Es kann auch eine hiervon abweichende Anzahl von Funktionsschichten in einem Halbleiterkörper für einen Detektorchip vorgesehen sein.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Detektorbauelements anhand einer schematischen Aufsicht in Figur 3A und einer schematischen Schnittansicht des Detektorbauelements entlang der Linie A-A aus Figur 3A in Figur 3B.
Das Detektorbauelement 200 umfasst eine Detektoranordnung 100, die auf einem Trägerelement 30 montiert, zum Beispiel aufgelötet, ist. Die Detektoranordnung 100 ist bevorzugt gemäß dem im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgeführt und umfasst den optoelektronischen Detektorchip 10 und den mikroelektronischen Halbleiterchip 20, die über die Verbindungsschicht 21, bevorzugt mechanisch stabil und elektrisch leitend, verbunden sind.
Der Detektorchip ist bevorzugt gemäß den Ausführungen zu Figur 2 ausgebildet. Der Halbleiterchip 20 ist zwischen dem Detektorchip 10 und dem Trägerelement 30 angeordnet. Die Detektoranordnung 100 ist in eine klare, strahlungsdurchlässige Umhüllung 36, die vorzugsweise filterpartikelfrei ausgeführt ist, eingebettet. Die Umhüllung 36 enthält beispielsweise ein Reaktionsharz, wie ein Epoxid- oder Acrylharz, ein Silikonharz oder ein Silikon. Eine Epoxidpressmasse ist als Material für die Umhüllung besonders geeignet. Die Umhüllung schützt die Detektoranordnung und gegebenenfalls weitere in die Umhüllung eingebettete Elemente bevorzugt vor schädlichen äußeren Einflüssen, wie mechanischer Belastung.
Das Detektorbauelement 200 umfasst weiterhin einen ersten externen Anschluss 31, einen zweiten externen Anschluss 32, einen dritten externen Anschluss 33 und einen vierten externen Anschluss 34 zur externen elektrischen Kontaktierung der Detektoranordnung 100. Diese externen Anschlüsse des oberflächenmontierbar ausgeführten Detektorbauelements 200 können mit den Leiterbahnen einer Leiterplatte (nicht dargestellt) elektrisch leitend verbunden, zum Beispiel verlötet, werden. Die externen Anschlüsse sind bevorzugt jeweils als Anschlussmetallisierung, auf dem, vorzugsweise einen Kunststoff enthaltenden, Trägerelement 30 ausgeführt.
Die Detektoranordnung 100 ist mit ihrer als Montagefläche dienenden, dem Detektorchip 10 abgewandten zweiten Hauptfläche 26 auf einen auf dem Trägerelement 30 ausgebildeten Montagebereich 35, der beispielsweise durch eine Metallisierung gebildet ist, montiert. Der erste und der zweite externe Anschluss 31 und 32 sind bevorzugt untereinander, insbesondere direkt, elektrisch leitend verbunden und/oder bei der Montage des Bauelements zur Erdung mittels Legung der Anschlüsse auf Massepotenzial vorgesehen. Gegebenenfalls können der erste und der zweite externe Anschluss 31 bzw. 32 auch als einzelner, gemeinsamer Anschluss ausgeführt sein. Der Montagebereich 35 ist bevorzugt mit dem ersten und dem zweiten externen Anschluss 31 und 32 thermisch leitend verbunden, sodass im Halbleiterchip 20 entstehende Wärme vereinfacht über den Montagebereich 35 vom Halbleiterchip und die externen Anschlüsse 31 und 32 ableitbar ist.
Ein Drahterdungsbereich 37, der zum Beispiel als Metallisierung -ausgeführt ist, ist bevorzugt mit dem ersten und dem zweiten externen Anschluss 31, 32, insbesondere über den Montagebereich 35, elektrisch leitend verbunden, sodass der erste Kontakt 9 des Detektorchips 10 und vorzugsweise ein auf der ersten Hauptfläche 25 des Halbl'eiterchips 20 angeordneter Erdungskontakt 43 mittels jeweils eines Bonddrahtes 38 beziehungsweise 39 über den
Drahterdungsbereich 37 erdbar sind. Der Erdungskontakt 43 und der erste Kontakt 9 sind hierzu über die Bonddrähte 39 beziehungsweise 38 mit dem Drahterdungsbereich 37 elektrisch leitend verbunden.
Der Eingang 23 des Halbleiterchips 20 ist mittels des Bonddrahtes 38 vorteilhaft gegenüber der Einkopplung elektromagnetischer Umgebungsstörungen abgeschirmt . Induzierte Störungen, z.B. ein Störstrom, werden anstatt in den Detektorchip oder den Halbleiterchip auf diese Weise mit Vorteil vereinfacht auf Massepotenzial abgeführt .
Auch die elektrisch leitende Schichtverbindung zwischen dem Detektorchip 10 und dem Halbleiterchip 20 über die VerbindungsSchicht 21 vermindert die Gefahr der Einkopplung elektromagnetischer Störungen in das Detektorbauelement 200, insbesondere in das vom Detektorchip erzeugte und in den Halbleiterchip geleitete Signal des Detektorchips. Der dritte externe Anschluss 33 ist bevorzugt mit einem Versorgungskontakt 40, den der Halbleiterchip 20 aufweisen kann, zum Beispiel mittels eines weiteren Bonddrahts 41, elektrisch leitend verbunden. Über den dritten externen Anschluss 33 kann der Halbleiterchip 20 auf diese Weise mit einer VersorgungsSpannung (Vcc) versorgt werden. Der Versorgungsanschluss 40 ist bevorzugt auf der ersten Hauptfläche 25 des Halbleiterchips 20 angeordnet und beispielsweise als Metallisierung ausgebildet.
Über den vierten externen Anschluss 34, der bevorzugt mit einem Ausgangskontakt 42, z.B. einer Metallisierung, des Halbleiterchips 20, zum Beispiel über einen weiteren Bonddraht 44, elektrisch leitend verbunden ist, kann das im Halbleiterchip verstärkte Signal des Detektorchips erfasst werden. Der Ausgangskontakt 42 ist bevorzugt auf der Hauptfläche 25 angeordnet und mit einem Ausgang des Halbleiterchips elektrisch leitend verbunden. Die Übereinanderanordnung des Detektorchips und des Halbleiterchips erleichtert in Kombination mit der Erdung des ersten Kontakts eine zuverlässige Erfassung und weitere Verwendung des AusgangsSignals des Detektorbauelements, das vorteilhaft störungsarm bzw. störungsunempfindlich ist.
Aufgrund der Aufeinanderanordnung des Detektorchips 10 und des Halbleiterchips 20 der Detektoranordnung 100 kann ein sehr platzsparendes Detektorbauelement 200, insbesondere mit geringer Montagefläche, gebildet werden. Ein Gehäuse des Detektorbauelements 200, das das Trägerelement 30. und die Umhüllung 36 umfassen kann, weist einen geringen Platzbedarf bei der Montage des Detektorbauelements, z.B. auf einer Leiterplatte, auf. Eine Montagefläche des Bauelements ist bevorzugt die der Detektoranordnung abgewandte Oberfläche des Trägerelements 30.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Prioritäten der deutschen Patentanmeldungen DE 10 2005 047 136.6 vom 30. September 2005 und DE 10 2005 061206.7 vom 21. Dezember 2005, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit explizit durch Rückbezug in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt . Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist .

Claims

Patentansprüche
1. Detektoranordnung (100) mit einem mikroelektronischen Halbleiterchip (20) und einem gesonderten. optoelektronischen Detektorchip (10) , wobei der Detektorchip auf dem Halbleiterchip angeordnet ist.
2. Detektoranordnung nach Anspruch 1, bei der der Halbleiterchip (20) zur Verarbeitung eines im Detektorchip erzeugten Signals ausgeführt ist .
3. Detektoranordnung nach Anspruch 2 , bei der der Halbleiterchip als Verstärker zur Verstärkung des im Detektorchip erzeugten Signals ausgebildet ist .
4. Detektoranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche , bei der der Detektorchip (10) auf einem Verbindungshalbleitermaterial oder Verbindungshalbleitermaterialien basiert.
5. Detektoranordnung nach Anspruch 4, bei der der Detektorchip (10) auf einem III-V- Verbindungshalbleitermaterial oder III-V- Verbindungshalbleitermaterialien basiert.
6. Detektoranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche , bei der der Halbleiterchip (20) auf einem Elementhalbleitermaterial, insbesondere Silizium, basiert.
7. Detektoranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Detektorchip (10) elektrisch leitend mit dem
Halbleiterchip verbunden ist.
8. Detektoranordnung nach Anspruch 7 , bei der der Detektorchip (10) über eine zwischen dem Halbleiterchip (20) und dem Detektorchip angeordnete, elektrisch leitende Verbindungsschicht (21) elektrisch leitend mit dem Halbleiterchip verbunden ist.
9. Detektoranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Detektorchip (10) auf einem Eingang (23) des
Halbleiterchips (20) angeordnet ist.
10. Detektoranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche , bei der der Detektorchip (10) auf dem Halbleiterchip (20) befestigt ist.
11. Detektoranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Detektorchip (10) mittels einer haftvermittelnden Schicht (21) mit dem Halbleiterchip (20) verbunden ist.
12. Detektoranordnung nach Anspruch 8 und Anspruch 10 oder 11, bei der die haftvermittelnde Schicht (21) als elektrisch leitende
Verbindungsschicht (21) ausgeführt ist.
13. Detektoranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine dem Halbleiterchip (20) abgewandte Seite (11) des '
Detektorchips (10) zur Erdung des Detektorchips vorgesehen ist.
14. Detektoranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche , bei der der Detektorchip (10) eine spektrale
Empfindlichkeitsverteilung (102a, 102b) aufweist, die gemäß einer vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsverteilung (103) geformt ist.
15. Detektoranordnung nach Anspruch 14, bei der die vorgegebene spektrale Empfindlichkeitsverteilung die Empfindlichkeitsverteilung des menschlichen Auges (103) ist.
16. Detektoranordnung nach mindestens einem der • vorhergehenden Ansprüche , bei der die Detektoranordnung zum Einsatz als Umgebungslichtsensor vorgesehen ist .
17 . Detektoranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche , • bei der eine Höhe der Detektoranordnung kleiner oder gleich 500 μm ist.
18. Detektoranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine dem Detektorchip (10) abgewandte Oberfläche (26) des Halbleiterchips (20) als Montagefläche zur Montage der Detektoranordnung (100) auf einem Trägerelement vorgesehen ist .
19. Detektoranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine dem Detektorchip (10) zugewandte Oberfläche (25) des Halbleiterchips (20) größer ist als eine dem Halbleiterchip zugewandte Oberfläche (13) des Detektorchips.
20. Detektorbauelement (200) mit einer auf einem Trägerelement (30) montierten Detektoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
21. Detektorbauelement nach Anspruch 20, bei dem der Halbleiterchip (20) zwischen dem Detektorchip (10) und dem Trägerelement (30) angeordnet ist.
22. Detektorbauelement nach Anspruch 20 oder 21, bei dem die Detektoranordnung ( 100 ) in eine strahlungsdurchlässige Umhüllung (36) eingebettet ist .
23 . De.tektorbauelement nach mindestens einem der' Ansprüche
20 bis 22 , das als oberflächenmontierbares Detektorbauelement ausgeführt ist.
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