WO2018024840A1 - Detektionsanordnung und verfahren zur herstellung von detektionsanordnungen - Google Patents

Detektionsanordnung und verfahren zur herstellung von detektionsanordnungen Download PDF

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WO2018024840A1
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detection
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Frank Singer
Matthias Sperl
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • G01N2201/0636—Reflectors

Definitions

  • the present arrangement relates to a detection arrangement and a method for producing detection arrangements.
  • gas sensors are commercially available, which use the characteristic of the respective gas absorption in the infrared spectral range.
  • Gas sensors however, have comparatively large designs, making them suitable for a variety of applications, for example, for use in mobile devices, such as mobile
  • One object is to specify a detection arrangement with which a reliable detection with a simultaneously compact construction can be achieved. Furthermore, a method
  • the detection arrangement has a mounting surface.
  • the mounting surface is for fastening the detection arrangement and in particular for electrical contacting of the
  • Detection arrangement provided.
  • the mounting surface at least a first contact surface and a second contact surface for the external electrical Contacting the detection arrangement formed.
  • the detection arrangement has an emitter which
  • the peak wavelength is between
  • the detection arrangement has a detector for receiving the radiation.
  • a spectral sensitivity distribution of the detector is expediently to the spectral
  • a main detection direction of the detector is perpendicular to
  • the detection arrangement has a shaped body.
  • Shaped body adjacent in particular in places to the emitter and / or the detector.
  • the shaped body is impervious, for example, to the radiation generated by the emitter.
  • the shaped body can be designed to be predominantly absorbent or predominantly reflective for the radiation. Predominantly absorbing in this context means that
  • incident radiation with the peak wavelength at least 60% is absorbed.
  • predominantly reflective means that incident radiation with the peak wavelength is reflected to at least 60%.
  • the shaped body can in particular completely circulate the emitter and / or the detector in the lateral direction.
  • the shaped body is integrally formed on the detector and / or on the emitter.
  • the shaped body is designed to be electrically insulating.
  • the shaped body may be a polymer material, for example an epoxide, a silicone or a hybrid material with a silicone
  • the detection arrangement has a deflection optics.
  • Umschoptik is particularly so relative to the emitter
  • a deflection optics is generally understood an optical element or an array of optical elements, wherein by reflection, for example, directed reflection, diffuse reflection or total reflection and / or refraction
  • incident radiation is effected.
  • an optical path is formed between the emitter and the detector by means of the deflection optics.
  • the optical path is understood in particular to be the shortest optical path, the radiation from the
  • Emitter to the detector can take. It does not have to be the Total radiation along this optical path. Rather, a part of the radiation can take a longer optical path from the emitter to the detector and
  • Detection arrangement impinge on the detector.
  • the deflecting optics are designed such that the radiation emitted by the emitter can impinge on the detector only after striking the deflecting optics at least once.
  • the deflecting optics is fastened to the emitter and / or to the detector and / or to the shaped body, for example, by means of a fastening layer or adjoins directly to the emitter and / or the detector and / or the shaped body.
  • the deflection optics can be designed in particular as a planar optics.
  • the deflection optics in the vertical direction an extension of at most 5 mm, in particular an extension of at most 2 mm.
  • the optics are formed, for example, in the production directly on the molding. An attachment layer is not required in this case.
  • the vertical direction is understood to mean a direction which is perpendicular to the mounting surface.
  • a lateral direction runs parallel to the mounting surface.
  • the detection arrangement comprises a mounting surface on which at least a first contact surface and a second contact surface
  • the detection arrangement comprises an emitter for generating a Radiation with a peak wavelength in the infrared spectral range and a detector for receiving the
  • the detection arrangement further comprises a shaped body, which adjoins the emitter and the detector at least in places, and a deflection optics, to which reference is made in the
  • the detection arrangement is characterized by a particularly compact design.
  • the detection arrangement is particularly easy externally contacted electrically.
  • the detection arrangement is as a
  • SMD Surface Mounted Device
  • the emitter is connected via a via through
  • Shaped body electrically conductively connected to the first contact surface and the detector is via a further
  • the shaped body forms the mounting surface.
  • the shaped body produces a mechanically stable connection between the emitter and the detector.
  • An additional element such as a prefabricated housing, in which the emitter and the detector are arranged, is therefore not required.
  • a compact design of the detection arrangement can be achieved in a particularly simple manner.
  • the detection arrangement has a connection carrier.
  • connection carrier forms the mounting surface.
  • the shaped body is arranged on the connection carrier and a side facing away from the shaped body of the
  • Anschlusen represents the mounting surface.
  • connection carrier has, for example
  • An electrical contact of the emitter and / or the detector can be made via openings that are located in
  • connection carrier extend vertical direction through the connection carrier.
  • the optical path runs parallel in places
  • the deflection optics on a first deflecting element which along the
  • the optical path parallel to the mounting surface by means of the deflection optics is formed so that it is at least twice as long as a distance between the emitter and the
  • the deflection optics causes a convolution of the optical path.
  • Detection arrangement as a gas sensor thus increases the interaction between the radiation emitted by the emitter and the gas to be measured with the same lateral extent of the detection arrangement.
  • the deflection optics limits a gas volume over the emitter and the detector on a side remote from the mounting surface.
  • the deflection optics forms a reflector element facing the emitter and the detector.
  • Reflector element can be seen in particular concave from the mounting surface seen in the vertical direction. In plan view of the detection arrangement covers the
  • Reflector element in particular the emitter and the detector completely.
  • the deflection optics is formed by a scattering body.
  • the radiation generated during operation of the detection arrangement passes through an emitter facing
  • Radiation can in particular by means of a scattering within the scattering body at least partially in the direction of
  • Detector be redirected. For example, in the
  • the scattering body interfaces or refractive index inhomogeneities formed which cause a scattering.
  • the scattering body For example, it contains a semiconductor material in which defects of the crystal structure cause scattering.
  • mirrored means that at least 60% of the incident radiation is reflected at the peak wavelength, in particular only the emitter and / or detector facing surfaces of the
  • the emitter has an optically and / or electrically pumped quantum structure for generating the radiation.
  • quantum structure includes in the context of
  • the term quantum structure does not include information about the dimensionality of the quantization. It therefore includes, among other quantum wells, Quantum wires, quantum rods and quantum dots and any combination of these structures.
  • the emitter has a semiconductor chip with an active region that generates the radiation with the peak wavelength.
  • a radiation conversion element can be provided to the active region in the emission direction
  • the emitter is designed as a light-emitting diode, as a super-luminescent diode or as a laser, in particular as a surface-emitting laser.
  • Radiation generation can take place via interband transitions, ie radiative recombination between electrons and holes, or intersubband transitions, ie radiative transitions within the conduction band or within the valence band.
  • the semiconductor chip is a
  • Quantum cascade diode or formed as an interband cascade diode.
  • the radiation conversion element has a quantum structure.
  • quantum structures spectrally narrow-band emission spectra can be achieved in a simplified manner.
  • the conversion material has quantum dots.
  • quantum dots the incident radiation in
  • the detection arrangement is for detecting a gas
  • Emitters matched to an absorption range of the gas to be detected are Emitters matched to an absorption range of the gas to be detected.
  • the peak wavelength of the emitter and an absorption maximum of the gas to be detected differ by at most 200 nm, in particular by at most 100 nm from each other.
  • Detection arrangements specified a plurality of emitters and a plurality of detectors are provided. An assembly network with the emitters and the detectors is formed. The emitters on the
  • An arrangement composite is assigned a plurality of deflection optics.
  • the array is singulated into a plurality of detection arrays so that each
  • Detection arrangement comprises at least one emitter, at least one detector and at least one deflection optics, wherein by means of the deflection optics, an optical path between the
  • the preparation of the detection arrangements can therefore in
  • the emitters and the detectors are used to form the
  • the emitters and the detectors are arranged on a subcarrier before forming with the molding compound, which can be removed after forming the molding compound.
  • the arrangement group can be
  • the molded body formed by means of the molding compound are severed, so that the molded body to the at
  • Separation process have characteristic signs of separation, for example, traces of mechanical erosion, such as saw marks or traces of material removal by means of coherent radiation.
  • the emitters need not yet necessarily emit the desired
  • Wavelength be set up. For example, a
  • Radiation conversion element of the emitter are also applied only after the formation of the arrangement composite.
  • the emitters and the detectors are used to form the
  • An electrical contacting of the emitter and / or the detectors is at least partially after the forming of the emitter and the detectors with the molding compound.
  • an optical mass is applied to the arrangement composite and shaped by means of a template. At least after one
  • the template can be removed again.
  • the vertical and lateral extent of the individual to be produced by the template structural elements can be varied within wide limits.
  • a sacrificial layer is applied to the arrangement composite and a reflector layer is applied to the sacrificial layer. After application of the reflector layer, the sacrificial layer can be removed so that between the emitters and the
  • Reflector layer creates a gas volume. During the production of the reflector layer, therefore, the sacrificial layer serves to form a spacing between the emitters and the emitter
  • a reflector element can be formed in the form of a reflector layer.
  • the plurality of deflection optics are arranged in prefabricated form on the arrangement assembly.
  • the deflection optics can be arranged individually on the arrangement composite for this purpose.
  • the arrangement network is thus prefabricated with individual Reversing optics equipped.
  • the method described is particularly suitable for the production of the detection arrangement described above.
  • Features described in connection with the detection arrangement can therefore also be used for the method and vice versa.
  • Figures 1 and 2 each an embodiment of a
  • Figures 3A and 3B show an embodiment of a
  • FIGS. 4A, 4B and 4C each show an exemplary embodiment of a detection arrangement in plan view
  • FIGS. 5A and 5B show an exemplary embodiment of a
  • Figure 5B and associated sectional view (Figure 5A); Figures 6, 7 and 8 each an embodiment of a detection arrangement in a schematic
  • FIGS. 9A to 9E show an exemplary embodiment of a method for producing a detection arrangement, in each case in a schematic sectional view
  • FIGS. 10A to 10C show an embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows an example of an embodiment
  • Detection arrangement 1 in a schematic sectional view
  • the detection arrangement 1 comprises a mounting surface 10, on the first contact surfaces 51 and second contact surfaces 52 for the external electrical contacting of
  • the detection arrangement 1 comprises an emitter 2 for emitting
  • the emitter comprises a semiconductor chip 21 with an active region 210 provided for generating radiation and a radiation conversion element 25.
  • the radiation conversion element is intended to generate primary radiation generated in the active region 210 in secondary radiation having the desired peak wavelength of the detection arrangement.
  • the radiation conversion element 25 has a quantum structure 29, for example a
  • Quantum well structure or a quantum dot structure.
  • the semiconductor chip 21 pumps so that
  • Radiation conversion element 25 optically, in particular the quantum structure 29 of the radiation conversion element.
  • the peak wavelength of the emitted secondary radiation can be set via the material composition and / or the extent of the quantum structures.
  • the active region 210 of the semiconductor chip 21 can itself already provide the radiation with the desired peak wavelength, so that a downstream one
  • Radiation conversion element is not required for this.
  • Semiconductor chips 21 are based, for example, on an arsenide compound semiconductor material, a phosphide compound semiconductor material or a nitride compound semiconductor material.
  • nitride compound semiconductors in the present context means that the active epitaxial layer sequence or at least one layer thereof is a nitride 111 / V compound semiconductor material, preferably AlnGa m I ni-n- m N, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1.
  • This material does not necessarily have to be a mathematically exact composition according to the above formula exhibit. Rather, it may contain one or more dopants as well as additional
  • the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (Al, Ga, I n, N), even if these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the semiconductor body in particular the active region, preferably comprises AlnGa m I ni-n-mP, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1 , preferably with n + 0 and / or m + 0.
  • this material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula, but rather it can have one or more dopants and additional constituents which are the same
  • the above formula includes only the essential constituents of the crystal lattice (Al, Ga, I n, P), even if these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the semiconductor body in particular the active region, preferably comprises AlnGa m I ni-n mAs, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1 , preferably with n + 0 and / or m + 0.
  • this material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it may contain one or more dopants and additional ingredients that do not substantially alter the physical properties of the material.
  • the above formula includes only the essential constituents of the crystal lattice (Al, Ga, I n, As), even if these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the semiconductor body in particular the active region, preferably comprises AlnGa m I ni-n-mSb, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1 , preferably with n + 0 and / or m + 0.
  • this material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula, but rather it can have one or more dopants and additional constituents which are the same
  • the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (Al, Ga, I n, Sb), even if these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • a compound semiconductor material whose band gaps corresponds to a wavelength in said spectral range, for example, an antimonide compound semiconductor material is suitable.
  • Subbands of the conduction band or the valence band takes place.
  • an antimonide compound semiconductor material for example, an arsenide compound semiconductor material or a phosphide compound semiconductor material is suitable.
  • the semiconductor chip 21 can emit incoherent, partially coherent or coherent radiation
  • the semiconductor chip 21 can be embodied as a light-emitting diode, a super-luminescent diode or a laser, in particular a surface-emitting laser.
  • the semiconductor chip 21 is formed as a quantum cascade or inter-band cascade diode for generating coherent radiation.
  • the detection arrangement 1 further comprises a detector 3, which is provided to detect a part of the radiation emitted by the emitter 2.
  • a detector 3 for example, an active range based on mercury-cadmium telluride (HgCdTe, also known as MCT) is suitable for the detector
  • InSb indium antimonide
  • the detector 3 may also be based on intersubband transitions and be designed, for example, as a quantum well infrared photodetector (QWIP). Such detectors can be characterized by a spectral
  • a filter 35 can optionally be arranged on the detector 3.
  • the filter alone or in conjunction with the bandgap of the material of the detector 3 forms a
  • the filter 35 is dielectric
  • Spectral region transparent carrier are arranged.
  • examples of such carriers are silicon, sapphire or zinc selenide.
  • another material may be used which is mid-infrared,
  • the filter 35 may comprise, for example, a plasmonic filter.
  • the detection arrangement further comprises a shaped body 4, which is integrally formed on the emitter 2 and the detector 3 and at least locally adjacent to the emitter and to the detector.
  • the shaped body 4 has the same or substantially the same extent in the vertical direction as the semiconductor chip 21 of the emitter and / or the
  • the shaped body 4 is impermeable to the radiation having the peak wavelength of the emitter 2, for example predominantly reflective or predominantly absorbing.
  • the molded body 4 forms the mounting surface 10 of
  • Detection arrangement On a side facing away from the mounting surface of the emitter 2 and the detector 3 are free of material of the molding.
  • a main radiation direction 91 of the emitter 2 and a main detection direction 92 of the detector 3 run
  • the detection arrangement 1 further comprises a deflection optics 6, to which, during operation of the detection arrangement, the emitter 2 emitted radiation hits.
  • a deflection optics 6 By means of the deflection optics, an optical path 9 is formed between the emitter and the detector 3.
  • an optical path 9 is formed between the emitter and the detector 3.
  • Deflection optics formed by a first deflecting elements 61 and a second deflecting element 62. In top view on the
  • Detection arrangement overlap the first deflecting element 61 with the emitter and the second deflecting element 62 with the detector.
  • the first deflecting element and the second deflecting element are each formed as a prism, wherein the radiation emitted by the emitter 2 along the
  • Main radiation direction 91 is deflected in the vertical direction in a direction parallel to the mounting surface 10 and subsequently the radiation along the main detection direction 92 is directed to the detector.
  • Deflection optics for example, between 10 ym inclusive and 5 mm inclusive, in particular between 10 ym inclusive and 1 mm inclusive.
  • a gas volume between the first deflecting element 61 and the second deflecting element 62 forms an interaction region 95.
  • Main detection direction 92 extend perpendicular to the mounting surface 10, the optical path 9 extends through the
  • a small vertical extent of the detection arrangement 1 can be achieved in a simplified manner.
  • Gas present in the interaction region 95 can absorb the radiation emitted by the emitter, so that, based on the detected by the detector 3, the presence and optionally the concentration of the gas to be detected can be determined.
  • the peak wavelength of the radiation generated by the emitter 2 is expediently to a characteristic absorption range of
  • the gas to be detected is a
  • Carbon oxide for example CO or CO 2
  • a nitrogen oxide for example N 2 O or NOX, for example NO 2, or methane.
  • the gases mentioned have characteristic absorption ranges in the wavelength range between 2 ⁇ m and 6 ⁇ m inclusive, in particular between 3 ⁇ m and 5.5 ⁇ m.
  • the molded body 4 causes a mechanically stable connection between the emitter 2 and the detector 3, so that no further element such as a prefabricated housing is required. In addition, the molded body 4 at the same time
  • the detection arrangement 1 is already the deflection optics 6 integrated.
  • the detection arrangement 1 is a compact, in particular surface-mountable design with integrated deflection optics. By means of the deflection optics is still the
  • the emitter 2 and the detector 3 each have a rear-side connection facing the mounting surface 10 and a front-side connection facing away from the mounting side.
  • the front-side connection is in each case via a connecting track 55 and a
  • FIG. 2 A further exemplary embodiment of a detection arrangement 1 is shown in FIG. 2 in a schematic sectional view. This second embodiment substantially corresponds to that described in connection with FIG.
  • Detection arrangement 1 a connection carrier 7, on which the emitter 2 and the detector 3 are attached.
  • Connection carrier 7 forms the mounting surface 10 of
  • the shaped body extends in the vertical direction to the same height as the semiconductor chip of the emitter 2 and / or the detector 3.
  • the shaped body 4 is a planar contacting of the emitter 2 and the detector 3 via terminal tracks 55 can be achieved.
  • connection carrier 7 has openings 71, via which the first contact surfaces 51 are electrically conductively connected to the emitter and the second contact surfaces 52 are electrically connected to the detector 3.
  • the contact surfaces are so on the Emitter 2 and the detector 3 side facing away from the connection carrier.
  • FIG. 3A shows a further exemplary embodiment of a detection arrangement 1, wherein FIG. 3B shows an associated sectional view along the line ⁇ ⁇ .
  • the deflection optics 6 additionally has a reflector element 65.
  • the deflection optics 6 additionally has a reflector element 65.
  • the reflector element is annular and encloses a gas volume as
  • Main detection direction of the detector 3 are perpendicular to the mounting surface 10. In plan view of the
  • Detection arrangement 1 are the first deflecting element 61 and the second deflecting element 62 with the associated emitter
  • Radiation deflection of the optical path 9 takes place in a direction parallel to the mounting surface 10 via the first deflection element 61.
  • the radiation is coupled into the interaction region 95 via an inlet opening 650 of the reflector element 65 and can impinge upon the detector 3 after reflection at the reflector element 65.
  • a gas exchange between the environment and the interaction region 95 can take place via the inlet opening.
  • Detection arrangement comprise a cover.
  • the cover is expediently for avoiding interference the radiation emitted by emitter 2 is impermeable to the peak wavelength.
  • the cover is not shown in the figure.
  • FIGS. 4A to 4C show examples of embodiments
  • the reflector element 65 is elongated in the embodiment shown in Figure 4A, wherein a main extension axis 950 has a kink 951.
  • a bend can also be used. There may also be more than one bend and / or more than one bend. Such a configuration forms a convolution of the optical path, so that the optical
  • Path between the emitter 2 and the detector 3 is longer than the distance between the detector and emitter.
  • the optical path is at least twice as long as the distance between the emitter 2 and the detector 3.
  • the optical path through the interaction region 95 is at
  • the main extension axis 950 is spiral.
  • a long optical path between the emitter and the detector can thus already with a comparatively small distance between emitter and detector and a compact design of the
  • curved area can be varied within wide limits.
  • the detection arrangement according to the exemplary embodiment illustrated in FIG. 4C has, in addition to the detector 3, a further detector 39.
  • a radiation coupling into the further detector 39 can take place via a third deflecting element 63. Radiation emitted by the emitter may partly hit the detector 3 and partly the further detector 39.
  • the further detector 39 is in
  • the detector 3 and the further detector 39 are of a similar design and differ only by the filter 3 upstream of the filter.
  • Embodiments find application.
  • FIGS. 5A and 5B show a further exemplary embodiment of a detection arrangement 1, wherein FIG. 5A shows a sectional view along a sectional plane 99 of FIG
  • This embodiment essentially corresponds to the embodiment described in connection with FIG. In contrast, the deflection optics 6 limits a
  • the deflection optics 6 is formed by a reflector element 65.
  • the reflector element has a Basic shape of a segment of an ellipsoid of revolution or a sphere.
  • a further shaped body 66 is arranged, which mechanically stabilizes the reflector element 65.
  • an opening 660 is formed in the further shaped body 66.
  • the optical path runs within the
  • Interaction region 95 thus not predominantly parallel to the mounting surface, but obliquely or perpendicular thereto.
  • the deflection optics 6 can be formed by a single optical element, namely the reflector element 65.
  • the reflector element 65 On deflecting elements, which deflect the emitted radiation of a direction perpendicular to the mounting surface direction in a parallel direction and vice versa, can be omitted.
  • the reflector element 65 for example, the
  • Basic shape of a segment of a cylinder surface or have another complex shaped structure may be used.
  • the further molded body 66 may be flat and parallel to the mounting surface 10. Due to the further shaped body 66, the detection arrangement can be comparatively mechanically robust. In addition, the recording during assembly,
  • Detection arrangement on a separator 8 In a plan view of the detection arrangement, the separating element 8 is arranged between the emitter 2 and the detector 3.
  • the exemplary embodiment illustrated in FIG. 7 essentially corresponds to the exemplary embodiment described in conjunction with FIGS. 5A and 5B.
  • the deflection optics 6 is in turn formed by means of a reflector element 65, which limits the interaction region 95 on the side facing away from the mounting surface 10.
  • the deflection optics 6 is designed as a prefabricated optical element, which is fastened by means of a fastening layer 83 on the shaped body 4. For the preparation of the detection arrangement can
  • the further shaped body 66 has a dome-like basic shape.
  • a polymer material is suitable for the further shaped body.
  • Diffuser 67 formed. The emitted from the emitter 2
  • Radiation is coupled via a surface 670 of the scattering body facing the emitter into the scattering body. After a scattering within the scattering body 67, the
  • a diffuser 67 is for example a
  • defect-rich semiconductor material such as defect-rich silicon.
  • the scattering element on the basic shape of a cube which is provided on four sides with a mirror layer and is radiation-transmissive on two sides.
  • Detection arrangement are the detection arrangements 1 described above, in particular for operation in a mobile electronic device, such as a mobile electrical communication device such as a smartphone or a smartwatch, or in a body-worn product (wearable).
  • a mobile electronic device such as a mobile electrical communication device such as a smartphone or a smartwatch
  • a body-worn product wearable
  • FIGS. 9A to 9E show an exemplary embodiment of a method for producing detection arrangements. The method is exemplified by a
  • Detection arrangement which is formed as described in connection with Figures 5A and 5B. As shown in FIG. 9A, a plurality of
  • the semiconductor chips and the detectors are arranged on an auxiliary carrier 85.
  • the auxiliary carrier is a particularly self-adhesive film.
  • a rigid subcarrier can be used.
  • the semiconductor chips 21 of the emitters 2 and the detectors 3 are formed with a molding compound 40 to form the assembly compound 15. This can be done for example by means of a
  • a casting process is generally understood to mean a process by means of which a molding composition can be designed according to a predetermined shape and, if necessary, cured.
  • the term "casting method” includes molding, film assisted casting (film assisted casting)
  • a radiation conversion element 25 for forming the emitter 2 is applied to the semiconductor chip 21.
  • a filter 35 is optionally applied.
  • Mold compound 40 extend therethrough.
  • the emitter 2 and the detector 3 are each electrically connected to a first contact 51 and a second contact 52.
  • Connecting tracks can be applied in particular planar to the molding compound 40. Compared to contacting via bond wires, a particularly compact design can thus be achieved.
  • the semiconductor chips for the emitters and the detectors can also be applied to a connection carrier and subsequently shaped by a molding compound.
  • a subcarrier is not in this case
  • the arrangement composite 15 is assigned a plurality of deflecting optics 6.
  • a sacrificial layer 86 is applied.
  • the sacrificial layer overlaps with the emitter 2 and the detector 3.
  • the emitters 2 and the detectors 3 are each arranged completely within an associated subarea of the sacrificial layer 86, wherein adjacent subregions are in each case separated from one another
  • Shaped body 4 side facing away from the further shaped body 66 is preferably flat (Figure 9D).
  • the sacrificial layer 86 is removed.
  • the sacrificial layer is treated by means of a solvent
  • the solvent can be introduced via openings in the further shaped body 66 (see FIG. 5B).
  • Interaction region 95 which is limited in the vertical direction by the reflector element 65.
  • the deflecting element in the form of the reflector element 65 is thus formed directly on the arrangement assembly 15.
  • the deflection optics 6 in prefabricated form on the
  • Deflection optics 6 are each assigned individually to the associated emitters or the deflection optics are provided in an optical composite, the singulation of the
  • detection arrangements 1 can be manufactured in a high packing density in an arrangement composite. The singling out
  • Detection arrangements already have a deflection optics, with which an optical path is formed by an interaction region with a gas.
  • an embodiment for the production of a deflection optics 6 is shown.
  • an optical mass 60 is applied to the arrangement compound 15.
  • a template 69 is pressed, so that the optical mass is formed on the template.
  • the optical mass is cured by means of radiation, represented by an arrow 98, such as radiation in the ultraviolet spectral range, or at least so far hardened that the optical mass 60 is dimensionally stable.
  • the template 69 can be removed.
  • a polymer material in particular an inorganic-organic material, is suitable for the optical composition
  • Hybrid polymer Such materials are marketed, for example, under the brand name "Ormocer” of the Fraunhofer Society for the Promotion of Applied Research e.V. Kunststoff (www.ormocere.de)
  • deflecting optics 6 is transferred to the arrangement assembly 15.
  • reflective coating such as a metal-containing coating.
  • gold is characterized by a high reflectivity in the infrared range.
  • the less expensive aluminum can be used.

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Abstract

Es wird eine Detektionsanordnung (1) angegeben, umfassend: - einen Emitter (2) zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Peak-Wellenlänge im infraroten Spektralbereich; - einen Detektor (3) zum Empfangen der Strahlung; - eine Montagefläche (10), an der zumindest eine erste Kontaktfläche (51) und eine zweite Kontaktfläche (52) für die externe elektrische Kontaktierung der Detektionsanordnung ausgebildet sind; - einen Formkörper (4), der zumindest stellenweise an den Emitter und an den Detektor angrenzt; und - eine Umlenkoptik (6), auf die im Betrieb der Detektionsanordnung von dem Emitter emittierte Strahlung trifft, wobei mittels der Umlenkoptik ein optischer Pfad (9) zwischen dem Emitter und dem Detektor gebildet ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung von Detektionsanordnungen angegeben.

Description

Beschreibung
Detektionsanordnung und Verfahren zur Herstellung von
Detektionsanordnungen
Die vorliegende Anordnung betrifft eine Detektionsanordnung und ein Verfahren zur Herstellung von Detektionsanordnungen.
Für die Detektion von Gasen sind Gassensoren kommerziell verfügbar, welche die für das jeweilige Gas charakteristische Absorption im infraroten Spektralbereich nutzen. Diese
Gassensoren weisen jedoch vergleichsweise große Bauformen auf, sodass sie für verschiedene Anwendung, beispielsweise für den Einsatz in mobilen Geräten, etwa in mobilen
Kommunikationsgeräten, nicht oder nur bedingt geeignet sind.
Eine Aufgabe ist es, eine Detektionsanordnung anzugeben, mit der eine zuverlässige Detektion bei gleichzeitig kompakter Bauweise erzielbar ist. Weiterhin soll ein Verfahren
angegeben werden, mit dem eine solche Detektionsanordnung einfach und zuverlässig hergestellt werden kann.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch eine
Detektionsanordnung beziehungsweise ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung weist die Detektionsanordnung eine Montagefläche auf. Die Montagefläche ist zur Befestigung der Detektionsanordnung und insbesondere auch zur elektrischen Kontaktierung der
Detektionsanordnung vorgesehen. Insbesondere sind an der Montagefläche zumindest eine erste Kontaktfläche und eine zweite Kontaktfläche für die externe elektrische Kontaktierung der Detektionsanordnung ausgebildet.
Beispielsweise sind an der Montagefläche alle für den Betrieb der Detektionsanordnung erforderlichen externen Kontakte zugänglich .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung weist die Detektionsanordnung einen Emitter auf, der
insbesondere zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Peak- Wellenlänge im infraroten Spektralbereich vorgesehen ist. Beispielsweise liegt die Peak-Wellenlänge zwischen
einschließlich 1 ym und einschließlich 6 ym. Eine
Hauptabstrahlungsrichtung des Emitters verläuft
beispielsweise senkrecht zur Montagefläche. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung weist die Detektionsanordnung einen Detektor zum Empfangen der Strahlung auf. Eine spektrale Empfindlichkeitsverteilung des Detektors ist zweckmäßigerweise an die spektrale
Abstrahlcharakteristik des Emitters und/oder einen
charakteristischen Absorptionsbereich für ein zu
detektierendes Gas angepasst. Eine Hauptdetektionsrichtung des Detektors verläuft beispielsweise senkrecht zur
Montagefläche . Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung weist die Detektionsanordnung einen Formkörper auf. Der
Formkörper grenzt insbesondere stellenweise an den Emitter und/oder den Detektor an. Der Formkörper ist beispielsweise für die vom Emitter erzeugte Strahlung undurchlässig. Der Formkörper kann für die Strahlung überwiegend absorbierend oder überwiegend reflektierend ausgebildet sein. Überwiegend absorbierend bedeutet in diesem Zusammenhang, dass
auftreffende Strahlung mit der Peak-Wellenlänge zu mindestens 60 % absorbiert wird. Entsprechend bedeutet überwiegend reflektierend, dass auftreffende Strahlung mit der Peak- Wellenlänge zu mindestens 60 % reflektiert wird. Der Formkörper kann den Emitter und/oder den Detektor in lateraler Richtung insbesondere vollständig umlaufen.
Beispielsweise ist der Formkörper an den Detektor und/oder an den Emitter angeformt. Beispielsweise ist der Formkörper elektrisch isolierend ausgebildet. Insbesondere kann der Formkörper ein Polymermaterial, beispielsweise ein Epoxid, ein Silikon oder ein Hybridmaterial mit einem Silikon
und/oder einem Epoxid aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung weist die Detektionsanordnung eine Umlenkoptik auf. Die
Umlenkoptik ist insbesondere so relativ zum Emitter
angeordnet, dass die im Betrieb von dem Emitter emittierte Strahlung zumindest teilweise auf die Umlenkoptik trifft. Unter einer Umlenkoptik wird allgemein ein optisches Element oder eine Anordnung von optischen Elementen verstanden, wobei durch Reflexion, beispielsweise gerichtete Reflexion, diffuse Reflexion oder Totalreflexion und/oder durch Brechung
und/oder durch Streuung eine Richtungsänderung der
auftreffenden Strahlung bewirkt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung ist mittels der Umlenkoptik ein optischer Pfad zwischen dem Emitter und dem Detektor gebildet.
Als optischer Pfad wird im Rahmen der Anmeldung insbesondere der kürzeste optische Weg verstanden, den Strahlung vom
Emitter zum Detektor nehmen kann. Es muss jedoch nicht die gesamte Strahlung entlang dieses optischen Pfades verlaufen. Vielmehr kann auch ein Teil der Strahlung einen längeren optischen Weg vom Emitter zum Detektor nehmen und
beispielsweise nach mehreren Reflexionen innerhalb der
Detektionsanordnung auf den Detektor auftreffen.
Beispielsweise ist die Umlenkoptik so ausgebildet, dass die vom Emitter emittierte Strahlung erst nach mindestens einmaligem Auftreffen auf die Umlenkoptik auf den Detektor auftreffen kann. Die Umlenkoptik ist beispielsweise mittels einer Befestigungsschicht an dem Emitter und/oder an dem Detektor und/oder an dem Formkörper befestigt oder grenzt unmittelbar an den Emitter und/oder den Detektor und/oder den Formkörper an.
Die Umlenkoptik kann insbesondere als eine planare Optik ausgebildet sein. Beispielsweise weist die Umlenkoptik in vertikaler Richtung eine Ausdehnung von höchstens 5 mm, insbesondere eine Ausdehnung von höchstens 2 mm auf. Die Optik ist zum Beispiel bei der Herstellung direkt auf dem Formkörper ausgebildet. Eine Befestigungsschicht ist in diesem Fall nicht erforderlich.
Als vertikale Richtung wird eine Richtung verstanden, die senkrecht zur Montagefläche verläuft. Eine laterale Richtung verläuft parallel zur Montagefläche.
In mindestens einer Ausführungsform der Detektionsanordnung umfasst die Detektionsanordnung eine Montagefläche, an der zumindest eine erste Kontaktfläche und eine zweite
Kontaktfläche für die externe elektrische Kontaktierung der Detektionsanordnung ausgebildet sind. Weiterhin umfasst die Detektionsanordnung einen Emitter zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Peak-Wellenlänge im infraroten Spektralbereich und einen Detektor zum Empfangen der
Strahlung. Die Detektionsanordnung umfasst weiterhin einen Formkörper, der zumindest stellenweise an den Emitter und an den Detektor angrenzt, und eine Umlenkoptik, auf die im
Betrieb der Detektionsanordnung vom Emitter emittierte
Strahlung trifft, wobei mittels der Umlenkoptik ein optischer Pfad zwischen dem Emitter und dem Detektor gebildet ist. Die Detektionsanordnung zeichnet sich durch eine besonders kompakte Bauform aus. Zudem ist die Detektionsanordnung besonders einfach extern elektrisch kontaktierbar .
Beispielsweise ist die Detektionsanordnung als ein
oberflächenmontierbares Bauelement (Surface Mounted Device, SMD) ausgebildet.
In vertikaler Richtung kann der Formkörper dieselbe
Ausdehnung oder im Wesentlichen dieselbe Ausdehnung, etwa mit einer Abweichung von höchstens 20 %, aufweisen wie der
Halbleiterchip des Emitters und/oder der Detektor. Dies vereinfacht eine in vertikaler Richtung gesehen kompakte Bauform der Detektionsanordnung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung ist der Emitter über eine Durchkontaktierung durch den
Formkörper mit der ersten Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden und der Detektor ist über eine weitere
Durchkontaktierung durch den Formkörper mit der zweiten
Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden. Die elektrische Kontaktierung des Emitters und des Detektors kann also in vertikaler Richtung durch den Formkörper hindurch erfolgen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung bildet der Formkörper die Montagefläche. Beispielsweise stellt der Formkörper eine mechanisch stabile Verbindung zwischen dem Emitter und dem Detektor her. Ein zusätzliches Element wie beispielsweise ein vorgefertigtes Gehäuse, in dem der Emitter und der Detektor angeordnet sind, ist also nicht erforderlich. Eine kompakte Bauform der Detektionsanordnung kann so besonders einfach erzielt werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung weist die Detektionsanordnung einen Anschlussträger auf.
Insbesondere bildet der Anschlussträger die Montagefläche. Beispielsweise ist der Formkörper auf dem Anschlussträger angeordnet und eine dem Formkörper abgewandte Seite des
Anschlussträgers bildet die Montagefläche.
Der Anschlussträger weist beispielsweise ein
Halbleitermaterial, eine Keramik oder ein Polymermaterial auf. Eine elektrische Kontaktierung des Emitters und/oder des Detektors kann über Öffnungen erfolgen, die sich in
vertikaler Richtung durch den Anschlussträger hindurch erstrecken .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung verläuft der optische Pfad stellenweise parallel zur
Montagefläche. Beispielsweise weist die Umlenkoptik ein erstes Umlenkelement auf, das die entlang der
Hauptabstrahlungsrichtung des Emitters abgestrahlte Strahlung in eine Richtung parallel zur Montagefläche umlenkt. Ein vergleichsweise langer optischer Pfad zwischen dem Emitter und dem Detektor kann so auch bei einer geringen vertikalen Ausdehnung der Detektionsanordnung erzielt werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung ist der optische Pfad parallel zur Montagefläche mittels der Umlenkoptik derart ausgebildet, dass er mindestens doppelt so lang ist wie ein Abstand zwischen dem Emitter und dem
Detektor. Mit anderen Worten bewirkt die Umlenkoptik eine Faltung des optischen Pfads. Bei der Ausgestaltung der
Detektionsanordnung als ein Gassensor verstärkt sich so die Wechselwirkung zwischen der vom Emitter emittierten Strahlung und dem zu messenden Gas bei gleicher lateraler Ausdehnung der Detektionsanordnung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung begrenzt die Umlenkoptik ein Gasvolumen über dem Emitter und dem Detektor auf einer der Montagefläche abgewandten Seite. Beispielsweise bildet die Umlenkoptik einen dem Emitter und dem Detektor zugewandtes Reflektorelement. Das
Reflektorelement kann insbesondere von der Montagefläche aus in vertikaler Richtung gesehen konkav ausgebildet sein. In Draufsicht auf die Detektionsanordnung überdeckt das
Reflektorelement den Emitter und den Detektor insbesondere vollständig .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung ist die Umlenkoptik durch einen Streukörper gebildet.
Beispielsweise tritt die im Betrieb der Detektionsanordnung erzeugte Strahlung durch eine dem Emitter zugewandte
Oberfläche des Streukörpers in den Streukörper ein. Die
Strahlung kann insbesondere mittels einer Streuung innerhalb des Streukörpers zumindest teilweise in Richtung des
Detektors umgelenkt werden. Zum Beispiel sind in dem
Streukörper Grenzflächen oder Brechungsindexinhomogenitäten ausgebildet, die eine Streuung bewirken. Der Streukörper enthält beispielsweise ein Halbleitermaterial, in dem Defekte der Kristallstruktur eine Streuung verursachen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung ist eine dem Emitter und/oder dem Detektor zugewandte
Oberfläche des Streukörpers strahlungsdurchlässig und
zumindest eine weitere Oberfläche des Streukörpers
verspiegelt. „Verspiegelt" bedeutet insbesondere, dass mindestens 60 % der auftreffenden Strahlung mit der Peak- Wellenlänge reflektiert wird. Insbesondere können nur die dem Emitter und/oder Detektor zugewandte Oberflächen des
Streukörpers strahlungsdurchlässig und die übrigen
Oberflächen des Streukörper strahlungsundurchlässig sein. Insbesondere können alle Oberflächen des Streukörpers, die weder dem Emitter noch dem Detektor zugewandt sind,
strahlungsundurchlässig und insbesondere verspiegelt sein. Im Streukörper gestreute Strahlung tritt also nicht aus
Oberflächen aus, die dem Emitter und/oder dem Detektor abgewandt sind. Der in Richtung des Detektors gestreute und aus dem Streukörper austretende Strahlungsanteil wird so erhöht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung weist der Emitter eine optisch und/oder elektrisch gepumpte Quantenstruktur zur Erzeugung der Strahlung auf.
Die Bezeichnung Quantenstruktur umfasst im Rahmen der
Anmeldung insbesondere jegliche Struktur, bei der
Ladungsträger durch Einschluss ( "confinement " ) eine
Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können.
Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantenstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentöpfe (quantum wells) , Quantendrähte (quantum wires) , Quantenstäbchen (quantum rods) und Quantenpunkte (quantum dots) und jede Kombination dieser Strukturen . Beispielsweise weist der Emitter einen Halbleiterchip mit einem aktiven Bereich auf, der die Strahlung mit der Peak- Wellenlänge erzeugt. Alternativ kann dem aktiven Bereich in Abstrahlungsrichtung ein Strahlungskonversionselement
nachgeordnet sein, das die vom aktiven Bereich erzeugte
Primärstrahlung vollständig oder zumindest teilweise in
Sekundärstrahlung mit der Peak-Wellenlänge umwandelt.
Beispielsweise ist der Emitter als eine Leuchtdiode, als eine Superlumineszenzdiode oder als ein Laser, insbesondere als ein oberflächenemittierender Laser, ausgebildet. Die
Strahlungserzeugung kann über Interband-Übergänge, also strahlende Rekombination zwischen Elektronen und Löchern, oder Intersubband-Übergänge, also strahlende Übergänge innerhalb des Leitungsbands oder innerhalb des Valenzbands, erfolgen. Beispielsweise ist der Halbleiterchip als eine
Quantenkaskadendiode oder als eine Interband-Kaskadendiode ausgebildet .
Das Strahlungskonversionselement weist insbesondere eine Quantenstruktur auf. Mit Quantenstrukturen sind spektral schmalbandige Emissionsspektren vereinfacht erzielbar.
Beispielsweise weist das Konversionsmaterial Quantendots auf. Derartige Quantendots, die auftreffende Strahlung in
Sekundärstrahlung mit einer Peak-Wellenlänge im infraroten Spektralbereich konvertieren, sind in der Druckschrift WO 2014/206936 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern explizit durch Rückbezug in die vorliegende Anmeldung
aufgenommen wird.
Grundsätzlich eignet sich jedoch auch ein anderes
Strahlungskonversionsmaterial , das Strahlung mit der
gewünschten Peak-Wellenlänge emittiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Detektionsanordnung ist die Detektionsanordnung zur Detektion eines Gases
vorgesehen. Beispielsweise ist die Peak-Wellenlänge des
Emitters auf einen Absorptionsbereich des zu detektierenden Gases abgestimmt. Beispielsweise unterscheiden sich die Peak- Wellenlänge des Emitters und ein Absorptionsmaximum des zu detektierenden Gases um höchstens 200 nm, insbesondere um höchstens 100 nm voneinander.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen von
Detektionsanordnungen angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden eine Mehrzahl von Emittern und eine Mehrzahl von Detektoren bereitgestellt. Ein Anordnungsverbund mit den Emittern und den Detektoren wird ausgebildet. Den Emittern auf dem
Anordnungsverbund wird eine Mehrzahl von Umlenkoptiken zugeordnet. Der Anordnungsverbund wird in eine Mehrzahl von Detektionsanordnungen vereinzelt, sodass jede
Detektionsanordnung zumindest einen Emitter, zumindest einen Detektor und zumindest eine Umlenkoptik aufweist, wobei mittels der Umlenkoptik ein optischer Pfad zwischen dem
Emitter und dem Detektor gebildet ist.
Die Herstellung der Detektionsanordnungen kann also im
Verbund erfolgen, sodass die beim Vereinzeln des Anordnungsverbunds entstehenden Detektionsanordnungen bereits die jeweils zugeordnete Umlenkoptik aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Emitter und die Detektoren zur Ausbildung des
Anordnungsverbunds von einer Formmasse umformt.
Beispielsweise werden die Emitter und die Detektoren vor dem Umformen mit der Formmasse auf einem Hilfsträger angeordnet, welcher nach dem Ausbilden der Formmasse entfernt werden kann. Beim Vereinzeln des Anordnungsverbunds kann
insbesondere der mittels der Formmasse gebildete Formkörper durchtrennt werden, sodass die Formkörper an den beim
Vereinzeln entstehenden Seitenflächen für das
Vereinzelungsverfahren charakteristische Vereinzelungsspuren aufweisen, beispielsweise Spuren eines mechanischen Abtrags, etwa Sägespuren oder Spuren eines Materialabtrags mittels kohärenter Strahlung.
Beim Ausbilden des Anordnungsverbunds müssen die Emitter noch nicht notwendigerweise zur Emission der gewünschten
Wellenlänge eingerichtet sein. Beispielsweise kann ein
Strahlungskonversionselement der Emitter auch erst nach dem Ausbilden des Anordnungsverbunds aufgebracht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Emitter und die Detektoren zur Ausbildung des
Anordnungsverbunds auf einem Anschlussträger angeordnet und nachfolgend von einer Formmasse umformt. Eine elektrische Kontaktierung der Emitter und/oder der Detektoren erfolgt zumindest teilweise erst nach dem Umformen der Emitter und der Detektoren mit der Formmasse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Mehrzahl von Umlenkoptiken auf dem Anordnungsverbund
ausgebildet. Mit anderen Worten wird der Anordnungsverbund nicht mit vorgefertigten Umlenkoptiken bestückt, sondern das Ausbilden der Umlenkoptiken erfolgt direkt auf dem
Anordnungsverbund. Eine Befestigungsschicht zur Befestigung der Umlenkoptiken an dem Anordnungsverbund ist also nicht erforderlich .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Optikmasse auf den Anordnungsverbund aufgebracht und mittels einer Vorlage geformt. Nach einem zumindest
teilweisen Aushärten der Optikmasse kann die Vorlage wieder entfernt werden. Über die Ausgestaltung der Vorlage sind die vertikale und die laterale Ausdehnung der einzelnen durch die Vorlage herzustellenden Strukturelemente in weiten Grenzen variierbar .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Opferschicht auf den Anordnungsverbund aufgebracht und eine Reflektorschicht auf die Opferschicht aufgebracht. Nach dem Aufbringen der Reflektorschicht kann die Opferschicht entfernt werden, sodass zwischen den Emittern und der
Reflektorschicht ein Gasvolumen entsteht. Bei der Herstellung der Reflektorschicht dient also die Opferschicht dem Bilden eines Abstands zwischen den Emittern und der
Reflektorschicht. Auf diese Weise kann ein Reflektorelement in Form einer Reflektorschicht gebildet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Mehrzahl von Umlenkoptiken in vorgefertigter Form auf dem Anordnungsverbund angeordnet. Die Umlenkoptiken können hierfür einzeln auf dem Anordnungsverbund angeordnet werden. Der Anordnungsverbund wird also mit einzelnen vorgefertigten Umlenkoptiken bestückt. Alternativ können die Umlenkoptiken in Form eines Optikverbunds auf den Anordnungsverbund
aufgebracht werden. Beim Vereinzeln in Detektionsanordnungen kann der Optikverbund durchtrennt werden.
Das beschriebene Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung der vorstehend beschriebenen Detektionsanordnung. Im Zusammenhang mit der Detektionsanordnung beschriebene Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt.
Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben
der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:
Figuren 1 und 2 jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine
Detektionsanordnung in schematischer
Schnittansicht;
Figuren 3A und 3B ein Ausführungsbeispiel für eine
Detektionsanordnung in Draufsicht (Figur 3A) und zugehöriger Schnittansicht (Figur 3B) ;
Figuren 4A, 4B und 4C jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine Detektionsanordnung in Draufsicht;
Figuren 5A und 5B ein Ausführungsbeispiel für eine
Detektionsanordnung in perspektivischer Ansicht
(Figur 5B) und zugehöriger Schnittansicht (Figur 5A) ; Figur 6, 7 und 8 jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine Detektionsanordnung in schematischer
Schnittansieht ; Figuren 9A bis 9E ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Herstellen einer Detektionsanordnung anhand von jeweils in schematischer Schnittansicht
dargestellten Zwischenschritten; und Figuren 10A bis IOC ein Ausführungsbeispiel für die
Herstellung einer Umlenkoptik anhand von schematisch in Schnittansicht dargestellten
Zwischenschritten . Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können
vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere
Schichtdicken zur Verdeutlichen übertrieben groß dargestellt sein .
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine
Detektionsanordnung 1 in schematischer Schnittansicht
gezeigt. Die Detektionsanordnung 1 umfasst eine Montagefläche 10, an der erste Kontaktflächen 51 und zweite Kontaktflächen 52 für die externe elektrische Kontaktierung der
Detektionsanordnung ausgebildet sind.
Die Detektionsanordnung 1 umfasst einen Emitter 2 zur
Erzeugung einer Strahlung mit einer Peak-Wellenlänge im infraroten Spektralbereich. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Emitter einen Halbleiterchip 21 mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 210 und ein Strahlungskonversionselement 25. Das Strahlungskonversionselement ist dafür vorgesehen, im aktiven Bereich 210 erzeugte Primärstrahlung in Sekundärstrahlung mit der gewünschten Peak-Wellenlänge der Detektionsanordnung zu erzeugen. Das Strahlungskonversionselement 25 weist eine Quantenstruktur 29 auf, beispielsweise eine
Quantentopfstruktur oder eine Quantendotstruktur .
Der Halbleiterchip 21 pumpt also das
Strahlungskonversionselement 25 optisch, insbesondere die Quantenstruktur 29 des Strahlungskonversionselements . Über die Materialzusammensetzung und/oder die Ausdehnung der Quantenstrukturen ist die Peak-Wellenlänge der emittierten Sekundärstrahlung einstellbar.
Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend kann jedoch der aktive Bereich 210 des Halbleiterchips 21 bereits selbst die Strahlung mit der gewünschten Peak-Wellenlänge bereitstellen, sodass ein nachgeordnetes
Strahlungskonversionselement hierfür nicht erforderlich ist. Der aktive Bereich 210 des Strahlungsemittierenden
Halbleiterchips 21 basiert beispielsweise auf einem Arsenid- Verbindungshalbleitermaterial , einem Phosphid- Verbindungshalbleitermaterial oder einem Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial .
„Auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie- Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid- 111 /V-Verbindungshalbleitermaterial , vorzugsweise AlnGamI ni-n- mN umfasst, wobei 0 < n < 1, 0 < m < 1 und n+m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche
Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen
physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (AI, Ga, I n , N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
„Auf Phosphid-Verbindungshalbleitern basierend" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Halbleiterkörper, insbesondere der aktive Bereich vorzugsweise AlnGamI ni-n-mP umfasst, wobei 0 < n < 1, 0 < m < 1 und n+m < 1 ist, vorzugsweise mit n + 0 und/oder m + 0. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die
physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (AI, Ga, I n , P) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
„Auf Arsenid-Verbindungshalbleitern basierend" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Halbleiterkörper, insbesondere der aktive Bereich vorzugsweise AlnGamI ni-n-mAs umfasst, wobei 0 < n < 1, 0 < m < 1 und n+m < 1 ist, vorzugsweise mit n + 0 und/oder m + 0. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (AI, Ga, I n , As) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
„Auf Antimonid-Verbindungshalbleitern basierend" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Halbleiterkörper, insbesondere der aktive Bereich vorzugsweise AlnGamI ni-n-mSb umfasst, wobei 0 < n < 1, 0 < m < 1 und n+m < 1 ist, vorzugsweise mit n + 0 und/oder m + 0. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die
physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (AI, Ga, I n , Sb) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Für einen Halbleiterchip 21, der selbst Strahlung im
infraroten Spektralbereich, insbesondere zwischen
einschließlich 1 ym und einschließlich 6 ym erzeugt, eignet sich beispielsweise ein Verbindungshalbleitermaterial, dessen Bandlücken einer Wellenlänge im genannten Spektralbereich entspricht, beispielsweise ein Antimonid- Verbindungshalbleitermaterial . Alternativ eignet sich beispielsweise eine Quantenstruktur 29 aus einem Verbindungshalbleitermaterial, bei dem die
Strahlungsemission durch strahlende Übergänge zwischen
Subbändern des Leitungsbands oder des Valenzbands erfolgt. Hierfür eignet sich beispielsweise ein Antimonid- Verbindungshalbleitermaterial , ein Arsenid- Verbindungshalbleitermaterial oder ein Phosphid- Verbindungshalbleitermaterial .
Der Halbleiterchip 21 kann zur Emission von inkohärenter Strahlung, teilkohärenter oder kohärenter Strahlung
ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Halbleiterchip 21 als eine Leuchtdiode, eine Superlumineszenzdiode oder ein Laser, insbesondere ein oberflächenemittierender Laser, ausgebildet sein. Beispielsweise ist der Halbleiterchip 21 als eine Quantenkaskaden- oder Interbandkaskaden-Diode zur Erzeugung kohärenter Strahlung ausgebildet. Die Detektionsanordnung 1 umfasst weiterhin einen Detektor 3, der dafür vorgesehen ist, einen Teil der vom Emitter 2 emittierten Strahlung zu detektieren. Für den Detektor eignet sich beispielsweise ein aktiver Bereich auf der Basis von Quecksilber-Cadmium-Tellurid (HgCdTe, auch als MCT
bezeichnet) oder Indiumantimonid (InSb).
Der Detektor 3 kann auch auf Intersubbandübergängen basieren und beispielsweise als ein Quantentopf-Infrarot-Photodetektor (quantum well infrared photodetector, QWIP) ausgebildet sein. Derartige Detektoren können sich durch eine spektral
schmalbandige Empfindlichkeitsverteilung auszeichnen.
Für eine schmalbandige Empfindlichkeitsverteilung kann auf dem Detektor 3 optional ein Filter 35 angeordnet sein.
Beispielsweise bildet der Filter allein oder in Verbindung mit der Bandlücke des Materials des Detektors 3 einen
Bandpassfilter . Beispielsweise ist der Filter 35 durch dielektrische
Schichten gebildet, die auf einem im infraroten
Spektralbereich transparenten Träger angeordnet sind. Als solcher Träger eignen sich beispielsweise Silizium, Saphir oder Zinkselenid. Alternativ kann auch ein anderes Material Anwendung finden, das im mittleren Infrarot-Bereich,
insbesondere zwischen einschließlich 2 ym und einschließlich 6 ym, transparent ist. Alternativ oder ergänzend kann der Filter 35 beispielsweise einen plasmonischen Filter aufweisen.
Die Detektionsanordnung umfasst weiterhin einen Formkörper 4, der an den Emitter 2 und den Detektor 3 angeformt ist und zumindest stellenweise an den Emitter und an den Detektor angrenzt. Beispielsweise weist der Formkörper 4 in vertikaler Richtung dieselbe oder im Wesentlichen dieselbe Ausdehnung auf wie der Halbleiterchip 21 des Emitters und/oder der
Detektor 3. Der Formkörper 4 ist für die Strahlung mit der Peak-Wellenlänge des Emitters 2 undurchlässig, beispielsweise überwiegend reflektierend oder überwiegend absorbierend.
Der Formkörper 4 bildet die Montagefläche 10 der
Detektionsanordnung. Auf einer der Montagefläche abgewandten Seite sind der Emitter 2 und der Detektor 3 frei von Material des Formkörpers.
Eine Hauptabstrahlungsrichtung 91 des Emitters 2 und eine Hauptdetektionsrichtung 92 des Detektors 3 verlaufen
senkrecht zur Montagefläche 10.
Die Detektionsanordnung 1 umfasst weiterhin eine Umlenkoptik 6, auf die im Betrieb der Detektionsanordnung von dem Emitter 2 emittierte Strahlung trifft. Mittels der Umlenkoptik ist ein optischer Pfad 9 zwischen dem Emitter und dem Detektor 3 gebildet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die
Umlenkoptik durch ein erstes Umlenkelemente 61 und ein zweites Umlenkelement 62 gebildet. In Draufsicht auf die
Detektionsanordnung überlappen das erste Umlenkelement 61 mit dem Emitter und das zweite Umlenkelement 62 mit dem Detektor. Beispielsweise sind das erste Umlenkelement und das zweite Umlenkelement jeweils als ein Prisma ausgebildet, wobei die vom Emitter 2 emittierte Strahlung entlang der
Hauptabstrahlungsrichtung 91 in vertikaler Richtung in eine Richtung parallel zur Montagefläche 10 umgelenkt wird und nachfolgend die Strahlung entlang der Hauptdetektionsrichtung 92 auf den Detektor gelenkt wird.
In vertikaler Richtung beträgt eine Ausdehnung der
Umlenkoptik beispielsweise zwischen einschließlich 10 ym und einschließlich 5 mm, insbesondere zwischen einschließlich 10 ym und einschließlich 1 mm.
Ein Gasvolumen zwischen dem ersten Umlenkelement 61 und dem zweiten Umlenkelement 62 bildet einen Wechselwirkungsbereich 95. Obwohl also die Hauptabstrahlungsrichtung 91 und die
Hauptdetektionsrichtung 92 senkrecht zur Montagefläche 10 verlaufen, erstreckt sich der optische Pfad 9 durch den
Wechselwirkungsbereich 95 parallel zur Montagefläche. Eine geringe vertikale Ausdehnung der Detektionsanordnung 1 ist so vereinfacht erzielbar.
In dem Wechselwirkungsbereich 95 vorhandenes Gas kann die vom Emitter emittierte Strahlung absorbieren, sodass anhand des vom Detektor 3 detektierten Signals das Vorhandensein und gegebenenfalls die Konzentration des zu detektierenden Gases ermittelt werden kann. Hierfür ist zweckmäßigerweise die Peak-Wellenlänge der vom Emitter 2 erzeugten Strahlung an einen charakteristischen Absorptionsbereich des zu
detektierenden Gases angepasst.
Beispielsweise ist das zu detektierende Gas ein
Kohlenstoffoxid, beispielsweise CO oder C02, ein Stickoxid, beispielsweise N20 oder NOX, etwa N02, oder Methan. Die genannten Gase weisen charakteristische Absorptionsbereiche im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 2 ym und einschließlich 6 ym, insbesondere zwischen einschließlich 3 ym und 5,5 ym, auf. Der Spektralbereich zwischen
einschließlich 3 ym und einschließlich 5,5 ym ist aufgrund der vergleichsweise geringen Absorption durch Wasser
besonders für die Gasdetektion geeignet.
Der Formkörper 4 bewirkt eine mechanisch stabile Verbindung zwischen dem Emitter 2 und dem Detektor 3, sodass kein weiteres Element wie ein vorgefertigtes Gehäuse erforderlich ist. Zudem kann der Formkörper 4 gleichzeitig die
Montagefläche 10 der Detektionsanordnung bilden. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauform der
Detektionsanordnung. Weiterhin ist die Detektionsanordnung 1 bereits die Umlenkoptik 6 integriert. Mit anderen Worten ist die Detektionsanordnung 1 eine kompakte, insbesondere oberflächenmontierbare Bauform mit integrierter Umlenkoptik. Mittels der Umlenkoptik ist weiterhin der
Wechselwirkungsbereich 95 für eine effiziente Gasdetektion begrenzt . In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weisen der Emitter 2 und der Detektor 3 jeweils einen der Montagefläche 10 zugewandten rückseitigen Anschluss und einen der Montageseite abgewandten vorderseitigen Anschluss auf. Der vorderseitige Anschluss ist jeweils über eine Anschlussbahn 55 und eine
Durchkontaktierung 41 in dem Formkörper 4 mit einer ersten Kontaktfläche 51 beziehungsweise einer zweiten Kontaktfläche 52 elektrisch leitend verbunden. Davon abweichend können der Emitter und/oder der Detektor jedoch auch zwei vorderseitige oder zwei rückseitige Anschlüsse aufweisen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Detektionsanordnung 1 ist in Figur 2 in schematischer Schnittansicht gezeigt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen
Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist die
Detektionsanordnung 1 einen Anschlussträger 7 auf, an dem der Emitter 2 und der Detektor 3 befestigt sind. Der
Anschlussträger 7 bildet die Montagefläche 10 der
Detektionsanordnung 1. Auf der der Montagefläche 10
abgewandten Seite des Anschlussträgers ist der Formkörper 4 ausgebildet. Wie im vorangegangen Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Formkörper in vertikaler Richtung bis auf die selbe Höhe wie der Halbleiterchip des Emitters 2 und/oder der Detektor 3. Mittels des Formkörpers 4 ist eine planare Kontaktierung des Emitters 2 beziehungsweise des Detektors 3 über Anschlussbahnen 55 erzielbar.
Der Anschlussträger 7 weist Öffnungen 71 auf, über die die ersten Kontaktflächen 51 mit dem Emitter und die zweiten Kontaktflächen 52 mit dem Detektor 3 elektrisch leitend verbunden sind. Die Kontaktflächen sind also auf der dem Emitter 2 und dem Detektor 3 abgewandten Seite des Anschlussträgers angeordnet.
In Figur 3A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Detektionsanordnung 1 gezeigt, wobei die Figur 3B eine zugehörige Schnittansicht entlang der Linie ΑΑλ zeigt.
Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist die Umlenkoptik 6 zusätzlich ein Reflektorelement 65 auf. In Draufsicht auf die
Detektionsanordnung 1 ist das Reflektorelement ringförmig ausgebildet und umschließt ein Gasvolumen als
Wechselwirkungsbereich 95 stellenweise. Eine
Hauptabstrahlungsrichtung des Emitters und eine
Hauptdetektionsrichtung des Detektors 3 verlaufen senkrecht zur Montagefläche 10. In Draufsicht auf die
Detektionsanordnung 1 sind das erste Umlenkelement 61 und das zweite Umlenkelement 62 mit dem zugehörigen Emitter
beziehungsweise Detektor außerhalb des Reflektorelements 65 angeordnet. Über das erste Umlenkelement 61 erfolgt eine Strahlungsumlenkung des optischen Pfades 9 in eine Richtung parallel zur Montagefläche 10. Über eine Eintrittsöffnung 650 des Reflektorelements 65 wird die Strahlung in den Wechselwirkungsbereich 95 eingekoppelt und kann nach einer Reflexion an dem Reflektorelement 65 auf den Detektor 3 auftreffen. Über die Eintrittsöffnung kann zudem auch ein Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem Wechselwirkungsbereich 95 erfolgen. Auf der dem Formkörper 4 abgewandten Seite des Reflektorelements kann die
Detektionsanordnung eine Abdeckung aufweisen. Die Abdeckung ist zur Vermeidung von Störstrahlung zweckmäßigerweise für die vom Emitter 2 emittierte Strahlung mit der Peak- Wellenlänge undurchlässig. Zur vereinfachten Darstellung ist die Abdeckung in der Figur nicht gezeigt. In den Figuren 4A bis 4C sind Ausführungsbeispiele für
Detektionsanordnungen 1 in Draufsicht gezeigt, die im
Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den Figuren 3A und 3B beschriebenen Ausführungsbeispiel entsprechen. Im Unterschied hierzu ist das Reflektorelement 65 bei dem in Figur 4A dargestellten Ausführungsbeispiel länglich ausgebildet, wobei eine Haupterstreckungsachse 950 einen Knick 951 aufweist. Anstelle eines Knicks kann auch eine Biegung Anwendung finden. Es können auch mehr als ein Knick und/oder mehr als eine Biegung vorgesehen sein. Eine solche Ausgestaltung bildet eine Faltung des optischen Wegs, sodass der optische
Pfad zwischen dem Emitter 2 und dem Detektor 3 länger ist als der Abstand zwischen dem Detektor und Emitter. Beispielsweise ist der optische Pfad mindestens doppelt so lang wie der Abstand zwischen dem Emitter 2 und dem Detektor 3. So ist der optische Pfad durch den Wechselwirkungsbereich 95 bei
gleicher lateraler und vertikaler Ausdehnung der
Detektionsanordnung steigerbar. Eine effiziente Detektion bei gleichzeitig kompakter Bauform der Detektionsanordnung ist vereinfacht erzielbar.
Bei dem in Figur 4B dargestellten Ausführungsbeispiel
verläuft die Haupterstreckungsachse 950 spiralförmig. Ein langer optischer Pfad zwischen Emitter und Detektor kann so bereits bei einem vergleichsweise geringen Abstand zwischen Emitter und Detektor und einer kompakten Bauform der
Detektionsanordnung erzielt werden. Selbstverständlich kann die konkrete Ausgestaltung der Haupterstreckungsachse 950 mit einem oder mehreren Knicken und/oder zumindest einem
gekrümmten Bereich in weiten Grenzen variiert werden.
Die Detektionsanordnung gemäß dem in Figur 4C dargestellten Ausführungsbeispiel weist zusätzlich zu dem Detektor 3 einen weiteren Detektor 39 auf. Eine Strahlungseinkopplung in den weiteren Detektor 39 kann über ein drittes Umlenkelement 63 erfolgen. Vom Emitter abgestrahlte Strahlung kann zum Teil auf den Detektor 3 und zum Teil auf den weiteren Detektor 39 treffen. Beispielsweise ist der weitere Detektor 39 im
Unterschied zum Detektor 3 in einem breiteren Spektralbereich empfindlich als der Detektor 3, sodass der weitere Detektor als ein Referenzdetektor zur Überwachung des Emitters 2 dienen kann. Beispielsweise sind der Detektor 3 und der weitere Detektor 39 gleichartig ausgebildet und unterscheiden sich nur durch den dem Detektor 3 vorgeordneten Filter.
Selbstverständlich kann ein solcher Referenzdetektor auch bei den vorstehend und nachfolgend beschriebenen
Ausführungsbeispielen Anwendung finden.
In den Figuren 5A und 5B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Detektionsanordnung 1 gezeigt, wobei die Figur 5A eine Schnittansicht entlang einer Schnittebene 99 der
perspektivischen Darstellung in Figur 5B zeigt.
Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu begrenzt die Umlenkoptik 6 ein
Gasvolumen als Wechselwirkungsbereich 95 über dem Emitter 2 und dem Detektor 3 auf einer der Montagefläche 10 abgewandten Seite. Die Umlenkoptik 6 ist durch ein Reflektorelement 65 gebildet. Beispielsweise weist das Reflektorelement eine Grundform eines Segments eines Rotationsellipsoiden oder einer Kugel auf. Auf der dem Wechselwirkungsbereich 95 abgewandten Seite des Reflexionselements ist ein weiterer Formkörper 66 angeordnet, der das Reflektorelement 65 mechanisch stabilisiert. Für einen Gasaustausch zwischen dem Wechselwirkungsbereich 95 und der Umgebung ist in dem weiteren Formkörper 66 eine Öffnung 660 ausgebildet.
Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen verläuft der optische Pfad innerhalb des
Wechselwirkungsbereichs 95 also nicht überwiegend parallel zur Montagefläche, sondern schräg oder senkrecht dazu.
Insbesondere kann die Umlenkoptik 6 durch ein einziges optisches Element, nämlich das Reflektorelement 65, gebildet sein. Auf Umlenkelemente, die die emittierte Strahlung einer zur Montagefläche senkrechten Richtung in eine parallele Richtung umlenken und umgekehrt, kann verzichtet werden. Das Reflektorelement 65 kann beispielsweise auch die
Grundform eines Segments einer Zylinderoberfläche oder eine andere komplexe geformte Struktur aufweisen.
Auf der der Montagefläche 10 abgewandten Seite kann der weitere Formkörper 66 eben und parallel zur Montagefläche 10 ausgebildet sein. Aufgrund des weiteren Formkörpers 66 kann die Detektionsanordnung vergleichsweise mechanisch robust sein. Zudem ist die Aufnahme während der Montage,
beispielsweise durch ein Pick-and-Place-Verfahren,
vereinfacht. Die Gefahr einer Schädigung der
Detektionsanordnung ist so verringert. Das in Figur 6 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit Figur 5 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist die
Detektionsanordnung ein Trennelement 8 auf. In Draufsicht auf die Detektionsanordnung ist das Trennelement 8 zwischen dem Emitter 2 und dem Detektor 3 angeordnet. Mittels des
Trennelements wird derjenige Strahlungsanteil verringert, der direkt oder zumindest nach einem vergleichsweise kurzen optischen Weg vom Emitter 2 zum Detektor 3 gelangt. Die
Zuverlässigkeit der Detektion kann so weitergehend verbessert werden .
Das in Figur 7 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den Figuren 5A und 5B beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die Umlenkoptik 6 ist wiederum mittels eines Reflektorelements 65 gebildet, das den Wechselwirkungsbereich 95 auf der der Montagefläche 10 abgewandten Seite begrenzt. Die Umlenkoptik 6 ist als ein vorgefertigtes optisches Element ausgebildet, das mittels einer Befestigungsschicht 83 an dem Formkörper 4 befestigt ist. Zur Herstellung der Detektionsanordnung kann
beispielsweise der weitere Formkörper 66 an der Innenseite mit einer insbesondere metallischen Reflektorschicht
beschichtet werden und nachfolgend so am Formkörper 4
befestigt werden, dass die Reflektorschicht dem Formkörper 4 zugewandt ist. Beispielsweise weist der weitere Formkörper 66 eine domartige Grundform auf. Für den weiteren Formkörper eignet sich beispielsweise ein Polymer-Material. Das in Figur 8 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel . Im Unterschied hierzu ist die Umlenkoptik 6 durch einen
Streukörper 67 gebildet. Die vom Emitter 2 emittierte
Strahlung wird über eine dem Emitter zugewandte Oberfläche 670 des Streukörpers in den Streukörper eingekoppelt. Nach einer Streuung innerhalb des Streukörpers 67 kann die
Strahlung durch eine dem Detektor 3 zugewandte Oberfläche 671 austreten und auf den Detektor 3 treffen. Zumindest eine weitere Oberfläche 675, vorzugsweise alle weiteren
Oberflächen des Streukörpers 67, die weder dem Emitter noch dem Detektor zugewandt sind, können mit einer Spiegelschicht 68 versehen sein. Dadurch wird derjenige Strahlungsanteil erhöht, der nach einer Streuung im Streukörper 67 auf den Detektor 3 auftrifft. Als Streukörper 67 eignet sich beispielsweise ein
defektreiches Halbleitermaterial, wie defektreiches Silizium. Beispielsweise weist das Streuelement die Grundform eines Würfels auf, der an vier Seiten mit einer Spiegelschicht versehen ist und an zwei Seiten strahlungsdurchlässig ist.
Die Wechselwirkung mit dem zu messenden Gas findet im
Halbraum über dem Detektor 3 statt.
Aufgrund der kompakten Bauform der beschriebenen
Detektionsanordnung eignen sich die vorstehend beschriebenen Detektionsanordnungen 1 insbesondere auch für den Betrieb in einem mobilen elektronischen Gerät, beispielsweise einem mobilen elektrischen Kommunikationsgerät wie einem Smartphone oder einer Smartwatch, oder in einem am Körper getragenen Produkt (wearable) .
In den Figuren 9A bis 9E ist ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung von Detektionsanordnungen gezeigt. Das Verfahren wird exemplarisch anhand einer
Detektionsanordnung erläutert, die wie im Zusammenhang mit den Figuren 5A und 5B beschrieben ausgebildet ist. Wie in Figur 9A gezeigt, wird eine Mehrzahl von
Halbleiterchips 21 für jeweils einen Emitter und eine
Mehrzahl von Detektoren bereitgestellt. Beispielsweise werden die Halbleiterchips und die Detektoren auf einem Hilfsträger 85 angeordnet. Beispielsweise ist der Hilfsträger eine insbesondere selbstklebende Folie. Alternativ kann auch ein starrer Hilfsträger Anwendung finden. Nachfolgend wird ein Anordnungsverbund 15 mit den Emittern 2 und den Detektoren 3 ausgebildet . Zur vereinfachten Darstellung ist nur ein Teilbereich des Anordnungsverbunds 15 gezeigt, aus dem bei der späteren
Vereinzelung genau eine Detektionsanordnung hervorgeht.
Bei dem in Figur 9B dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Halbleiterchips 21 der Emitter 2 und die Detektoren 3 zur Ausbildung des Anordnungsverbunds 15 mit einer Formmasse 40 umformt. Dies kann beispielsweise mittels eines
Gießverfahrens erfolgen. Unter einem Gießverfahren wird allgemein ein Verfahren verstanden, mit dem eine Formmasse gemäß einer vorgegebenen Form ausgestaltet und erforderlichenfalls ausgehärtet werden kann. Insbesondere umfasst der Begriff „Gießverfahren" Gießen (molding) , Folien assistiertes Gießen (film assisted
molding), Spritzgießen (injection molding), Spritzpressen (transfer molding) und Formpressen (compression molding) . Nach dem Aushärten der Formmasse 40 wird auf den Halbleiterchip 21 ein Strahlungskonversionselement 25 zur Ausbildung des Emitters 2 aufgebracht. Auf den Detektor 3 wird optional ein Filter 35 aufgebracht.
In der Formmasse 40 werden Durchkontaktierungen 41
ausgebildet, die sich in vertikaler Richtung durch die
Formmasse 40 hindurch erstrecken. Über die
Durchkontaktierungen 41 und auf der Formmasse 40 aufgebrachte Anschlussbahnen 55 werden der Emitter 2 und der Detektor 3 jeweils mit einem ersten Kontakt 51 beziehungsweise einem zweiten Kontakt 52 elektrisch leitend verbunden. Die
Anschlussbahnen können insbesondere planar auf die Formmasse 40 aufgebracht werden. Im Vergleich zu einer Kontaktierung über Bond-Drähte kann so eine besonders kompakte Bauform erzielt werden.
Zur Herstellung einer Detektionsanordnung wie sie anhand der Figur 2 beschrieben ist, können die Halbleiterchips für die Emitter und die Detektoren auch auf einem Anschlussträger aufgebracht und nachfolgend von einer Formmasse umformt werden. Ein Hilfsträger ist in diesem Fall nicht
erforderlich . Nachfolgend wird dem Anordnungsverbund 15 wird eine Mehrzahl von Umlenkoptiken 6 zugeordnet. Hierfür wird, wie in Figur 9B dargestellt, eine Opferschicht 86 aufgebracht. In Draufsicht auf den Anordnungsverbund überlappt die Opferschicht mit dem Emitter 2 und dem Detektor 3. Insbesondere sind die Emitter 2 und die Detektoren 3 jeweils vollständig innerhalb eines zugeordneten Teilbereichs der Opferschicht 86 angeordnet, wobei benachbarte Teilbereiche jeweils voneinander
beabstandet sind. Auf die Opferschicht 86 wird ein Reflektorelement 65 in Form einer Reflektorschicht 651, beispielsweise einer metallischen Beschichtung, aufgebracht (Figur 9C) . Nachfolgend wird auf das Reflektorelement 65 ein weiterer Formkörper 66 aufgebracht. Hierfür kann ein Gießverfahren Anwendung finden. Der weitere Formkörper füllt insbesondere Zwischenräume zwischen benachbarten Reflektorelementen 65. In diesen Zwischenräumen kann der weitere Formkörper 66
stellenweise an den Formkörper 4 angrenzen. Auf der dem
Formkörper 4 abgewandten Seite ist der weitere Formkörper 66 vorzugsweise eben ausgebildet (Figur 9D) .
Nachfolgend wird die Opferschicht 86 entfernt. Beispielsweise wird die Opferschicht mittels eines Lösungsmittels
herausgelöst. Hierfür kann das Lösungsmittel über Öffnungen in dem weiteren Formkörper 66 eingebracht werden (vergleiche Figur 5B) . Durch das Entfernen der Opferschicht 86 entsteht ein
Wechselwirkungsbereich 95, der in vertikaler Richtung durch das Reflektorelement 65 begrenzt ist.
Das Umlenkelement in Form des Reflektorelements 65 wird also direkt auf dem Anordnungsverbund 15 ausgebildet. Eine
kompakte und kostengünstige Herstellung wird so vereinfacht.
Abschließend wird der Anordnungsverbund 15 entlang von
Vereinzelungslinien 89 in die Detektionsanordnung 1
vereinzelt. Beim Vereinzeln werden die Formmasse 40 und der weitere Formkörper 66 durchtrennt. Dies kann beispielsweise mittels eines mechanischen Verfahrens, etwa Sägens, chemisch, etwa mittels Ätzens oder mittels kohärenter Strahlung erfolgen. Die Seitenflächen der aus der Formmasse 40
entstehenden Formkörper sowie die Seitenflächen des weiteren Formkörpers 66 können für das Vereinzelungsverfahren
charakteristische Spuren aufweisen, beispielsweise
Sägespuren, Spuren eines Materialabtrags durch Laserstrahlung oder eines chemischen Materialabtrags.
Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend können die Umlenkoptiken 6 auch in vorgefertigter Form auf dem
Anordnungsverbund angeordnet werden. Hierfür können die
Umlenkoptiken 6 jeweils einzeln den zugehörigen Emittern zugeordnet werden oder die Umlenkoptiken werden in einem Optikverbund bereitgestellt, der beim Vereinzeln des
Anordnungsverbunds 15 durchtrennt wird.
Mit dem beschriebenen Verfahren können Detektionsanordnungen 1 in einer hohen Packungsdichte in einem Anordnungsverbund gefertigt werden. Die beim Vereinzeln hervorgehenden
Detektionsanordnungen weisen bereits eine Umlenkoptik auf, mit der ein optischer Pfad durch einen Wechselwirkungsbereich mit einem Gas gebildet ist.
In den Figuren 10A bis IOC ist ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung einer Umlenkoptik 6 gezeigt. Hierfür wird eine Optikmasse 60 auf dem Anordnungsverbund 15 aufgebracht. In die Optikmasse 60 wird eine Vorlage 69 eingedrückt, sodass die Optikmasse an die Vorlage angeformt wird. Die Optikmasse wird mittels Strahlung, dargestellt durch einen Pfeil 98, etwa Strahlung im ultravioletten Spektralbereich, ausgehärtet oder zumindest so weit angehärtet, dass die Optikmasse 60 formstabil ist. Nachfolgend kann die Vorlage 69 entfernt werden. Durch einen derartigen Abformprozess können
Umlenkoptiken einfach, kostengünstig und großflächig ausgebildet werden, insbesondere unmittelbar auf dem
Anordnungsverbund 15.
Für die Optikmasse eignet sich beispielsweise ein Polymer- Material, insbesondere ein anorganisch-organisches
Hybridpolymer. Derartige Materialien werden beispielsweise unter der Marke „Ormocer" der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. München vertrieben (www . ormocere . de)
Das beschriebene Verfahren muss nicht notwendigerweise auf dem Anordnungsverbund 15 durchgeführt werden. Alternativ kann auch ein Hilfsträger Anwendung finden, von dem die
hergestellte Umlenkoptik 6 auf den Anordnungsverbund 15 übertragen wird. In diesem Fall kann die Umlenkoptik 6 vor dem Aufbringen auf den Anordnungsverbund mit einer
reflektierenden Beschichtung versehen werden, beispielsweise einer metall-haltigen Beschichtung. Insbesondere zeichnet sich Gold durch eine hohe Reflektivität im Infrarotbereich aus. Alternativ kann das kostengünstigere Aluminium Anwendung finden .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2016 114 542.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug 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 den Ausführungsbeispielen angegeben ist .
Bezugs zeichenliste
1 Detektionsanordnung
10 Montagefläche
15 Anordnungs erbünd
2 Emitter
21 Halbleiterchip
210 aktiver Bereich
25 Strahlungskonversionselement
29 Quantenstruktur
3 Detektor
35 Filter
39 weiterer Detektor
4 Formkörper
40 Formmasse
41 Durchkontaktierung
51 erste Kontaktfläche
52 zweite Kontaktfläche
55 Anschlussbahn
6 Umlenkoptik
60 Optikmasse
61 erstes Umlenkelement
62 zweites Umlenkelement
63 drittes Umlenkelement
65 Reflektorelement
650 Eintrittsöffnung
651 Reflektorschicht
66 weiterer Formkörper
660 Öffnung des weiteren Formkörpers
67 Streukörper
670 dem Emitter zugewandte Oberfläche des Streukörpers
671 dem Detektor zugewandte Oberfläche des Streukörpers übrige Oberfläche des Streukörpers
Spiegelschicht
Anschlussträger
Öffnung
Trennelement
Befestigungsschicht
Hilfsträger
Opferschicht
Vereinzelungslinien
optischer Pfad
Hauptabstrahlungsrichtung
Hauptdetektionsrichtung
WechselWirkungsbereich
Haupterstreckungsachse
Knick
Pfeil
Schnittebene

Claims

Patentansprüche
1. Detektionsanordnung (1), umfassend:
- einen Emitter (2) zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Peak-Wellenlänge im infraroten Spektralbereich;
- einen Detektor (3) zum Empfangen der Strahlung;
- eine Montagefläche (10), an der zumindest eine erste
Kontaktfläche (51) und eine zweite Kontaktfläche (52) für die externe elektrische Kontaktierung der Detektionsanordnung ausgebildet sind;
- einen Formkörper (4), der zumindest stellenweise an den Emitter und an den Detektor angrenzt; und
- eine Umlenkoptik (6), auf die im Betrieb der
Detektionsanordnung von dem Emitter emittierte Strahlung trifft, wobei mittels der Umlenkoptik ein optischer Pfad (9) zwischen dem Emitter und dem Detektor gebildet ist.
2. Detektionsanordnung nach Anspruch 1,
wobei die Detektionsanordnung als ein oberflächenmontierbares Bauelement ausgebildet ist.
3. Detektionsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Emitter und der Detektor jeweils über eine
Durchkontaktierung (41) durch den Formkörper mit der ersten Kontaktfläche beziehungsweise der zweiten Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden sind.
4. Detektionsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Formkörper die Montagefläche bildet.
5. Detektionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Formkörper auf einem Anschlussträger (7) angeordnet ist und wobei eine dem Formkörper abgewandte Seite des
Anschlussträgers die Montagefläche bildet.
6. Detektionsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der optische Pfad stellenweise parallel zur
Montagefläche verläuft.
7. Detektionsanordnung nach Anspruch 6,
wobei der optische Pfad parallel zur Montagefläche mittels der Umlenkoptik derart ausgebildet ist, dass er mindestens doppelt so lang ist wie ein Abstand zwischen dem Emitter und dem Detektor.
8. Detektionsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Umlenkoptik ein Gasvolumen über dem Emitter und dem
Detektor auf einer der Montagefläche abgewandten Seite begrenzt .
9. Detektionsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Umlenkoptik durch einen Streukörper (67) gebildet ist, in den die Strahlung im Betrieb der Detektionsanordnung durch eine dem Emitter zugewandte Oberfläche (670) des
Streukörpers eintritt.
10. Detektionsanordnung nach Anspruch 9,
wobei nur dem Emitter und/oder Detektor zugewandte
Oberflächen des Streukörpers strahlungsdurchlässig und die übrigen Oberflächen (675) des Streukörpers verspiegelt sind.
11. Detektionsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Emitter eine optisch und/oder elektrisch gepumpte Quantenstruktur (29) zur Erzeugung der Strahlung aufweist.
12. Detektionsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Detektionsanordnung zur Detektion eines Gases vorgesehen ist und die Peak-Wellenlänge des Emitters auf einen Absorptionsbereich des zu detektierenden Gases
abgestimmt ist.
13. Verfahren zum Herstellen von Detektionsanordnungen (1) mit den Schritten:
a) Bereitstellen einer Mehrzahl von Emittern (2) und einer Mehrzahl von Detektoren (3) ;
b) Ausbilden eines Anordnungsverbunds (15) mit den Emittern und den Detektoren;
c) Zuordnen einer Mehrzahl von Umlenkoptiken (6) zu den
Emittern auf dem Anordnungsverbund;
d) Vereinzeln des Anordnungsverbunds in eine Mehrzahl von Detektionsanordnungen, so dass jede Detektionsanordnung zumindest einen Emitter, zumindest einen Detektor und
zumindest eine Umlenkoptik aufweist, wobei mittels der
Umlenkoptik ein optischer Pfad (9) zwischen dem Emitter und dem Detektor gebildet ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
wobei die Emitter und die Detektoren zur Ausbildung des Anordnungsverbunds von einer Formmasse umformt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13,
wobei die Emitter und die Detektoren zur Ausbildung des Anordnungsverbunds auf einem Anschlussträger angeordnet werden und nachfolgend von einer Formmasse umformt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
wobei die Mehrzahl von Umlenkoptiken auf dem
Anordnungsverbund ausgebildet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
wobei eine Optikmasse auf den Anordnungsverbund aufgebracht und mittels einer Vorlage geformt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16,
wobei eine Opferschicht auf den Anordnungsverbund aufgebracht wird, eine Reflektorschicht (651) auf die Opferschicht aufgebracht wird und die Opferschicht nachfolgend entfernt wird, so dass zwischen den Emittern und der Reflektorschicht ein Gasvolumen entsteht.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
wobei die Mehrzahl von Umlenkoptiken in Schritt c) in
vorgefertigter Form auf dem Anordnungsverbund angeordnet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19,
bei dem eine Detektionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt wird.
PCT/EP2017/069704 2016-08-05 2017-08-03 Detektionsanordnung und verfahren zur herstellung von detektionsanordnungen WO2018024840A1 (de)

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US16/323,504 US11486819B2 (en) 2016-08-05 2017-08-03 Detection arrangement and method for producing detection arrangements
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