WO2023099575A1 - Vorrichtung zur absorption und detektion von elektromagnetischer strahlung und herstellungsverfahren dafür, sowie system mit einer vielzahl von solchen vorrichtungen - Google Patents

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WO2023099575A1
WO2023099575A1 PCT/EP2022/083869 EP2022083869W WO2023099575A1 WO 2023099575 A1 WO2023099575 A1 WO 2023099575A1 EP 2022083869 W EP2022083869 W EP 2022083869W WO 2023099575 A1 WO2023099575 A1 WO 2023099575A1
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electromagnetic radiation
guiding device
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PCT/EP2022/083869
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Jens Knobbe
Lion Augel
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Brandenburgische Technische Universität (Btu) Cottbus-Senftenberg, Körperschaft Des Öffentlichen Rechts Referat Patente Und Lizenzen
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    • H01L27/1446—Devices controlled by radiation in a repetitive configuration

Definitions

  • Embodiments of the present invention include devices, methods and systems for absorbing electromagnetic radiation, as well as methods for manufacturing devices for absorbing electromagnetic radiation.
  • the present invention also relates to photodiodes with conical structural elements.
  • Embodiments of the present invention include conical photodiodes.
  • Embodiments of the present invention are in the field of semiconductor devices, specifically in the field of photodiodes.
  • Embodiments according to the present invention relate to photodiodes for detecting electromagnetic radiation with wavelengths greater than about 1000 nm.
  • Electromagnetic radiation can be detected with photodiodes.
  • the radiation is converted into an electrically measurable photocurrent in the component.
  • the sensitivity of a photodiode depends, among other things, on the wavelength of the radiation to be detected.
  • the design In addition to the type of semiconductor material used, eg silicon or gallium arsenide (GaAs), the design also determines the performance of a photodiode (eg pin diodes or Schottky diodes).
  • the common property of all photodiodes is the excitation of electrical charge carriers in the semiconductor, which can be measured as a photocurrent.
  • the wavelength range of electromagnetic radiation that can be detected by a photodiode is essentially determined by the semiconductor material.
  • Radiation in the visible and immediately adjacent infrared range up to a limit wavelength of approx. 1100 nm can be detected with silicon diodes.
  • germanium or standard indium gallium arsenide (InGaAs) is used as a detector material up to a limit wavelength of 1700 nm.
  • InGaAs alloys with a high indium content the wavelength range can be extended to 2500 nm.
  • the range between 1000 nm and 2500 nm is very important for different applications. For example, wavelengths around 1300 nm and 1550 nm are used in telecommunications. In the so-called near-infrared spectral range (NIR) between 1000 nm and 2500 nm there are absorption bands for some important molecules that are of great importance for spectral analysis. There are also important applications in this spectral range in the area of field monitoring with lasers.
  • NIR near-infrared spectral range
  • silicon cannot be used in a conventionally designed diode design due to a lack of sensitivity in the NIR.
  • the semiconductor material InGaAs used instead is a physically and technically excellent detector material with high sensitivity, but it also has considerable disadvantages (see section “Prior art”).
  • the first property is caused by imperfections along the metal-semiconductor transition and scales with the area, the second property (reflections) can be reduced by suitable structures. There is an opposite dependency here, since more scattering (rough) surfaces are associated with an enlarged metallized area. For a more detailed explanation, photodiodes of different designs from the prior art will be discussed below.
  • Photodiodes of various designs are known in the prior art, and the underlying mechanisms of the conversion of electromagnetic radiation into electrical charge carriers in a semiconductor are very well understood.
  • Known components for detecting radiation with wavelengths greater than approx. 1000 nm, with the special features prevailing in this wavelength range, are discussed in particular below. In the prior art, a distinction can be made between three large groups of known component concepts.
  • the p-i-n diode, or pin diode for short, is the type most commonly used. This is a layer sequence of doped and non-doped areas in the semiconductor.
  • the letters designate the type of doping, i.e. the type of majority charge carriers in the corresponding layer, p for holes, n for electrons, i for intrinsic, i.e. without doping.
  • the conversion of radiation into a measurable photo current takes place in such a diode by the so-called photo effect.
  • a photon is absorbed in the semiconductor, specifically in the intrinsic layer, and an electron is excited from the valence band into the conduction band.
  • a charge carrier pair is formed that is separated in the internal electric field between the layers and can be detected as a photocurrent.
  • This basic principle is used for the common semiconductors silicon, germanium and various alloys in the field of compound semiconductors of the main groups III and V in the periodic table of the elements, so-called III/V semiconductors.
  • alloys of main groups II and VI, so-called II/VI semiconductors, e.g. mercury cadmium telluride (HgCdTe) are used.
  • InGaAs is the preferred semiconductor material for the NIR.
  • the limit energy is a property of the semiconductor used (the so-called band gap between valence and conduction band).
  • the band gap is predetermined; for compound semiconductors, it can be adjusted within certain limits by changing the alloy proportions of the elements involved. This limit is around 1100 nm for silicon and around 1700 nm for germanium.
  • PIN diodes that cover the range from 1000 nm to 2500 nm can only be realized with compound semiconductors.
  • the most important semiconductor material in this area is InGaAs with different alloys with different indium content.
  • InGaAs pin diodes are characterized by high sensitivity and are commercially available in many different designs.
  • the major disadvantage of this material system is its incompatibility with silicon technology. This results in relatively high costs both for the production of the semiconductor material itself and for the process technology for realizing components.
  • only hybrid integration is possible in connection with integrated circuits, which are usually manufactured using silicon technology. This also has a very negative effect on the cost structure. As a result, many possible applications, especially in the imaging field with diode arrays, cannot currently be served or developed in an economically sensible manner.
  • Photoresistors form the second group of photodetectors in the NIR. These components change their resistance when exposed to electromagnetic radiation. Based on this property, a photocurrent can also be measured. While these devices are not diodes and therefore not strictly prior art, they form an important group of photodetectors in the NIR.
  • the semiconductors lead selenide and lead sulfide are often used as materials. Also of these photodetectors are different designs, z. B. single elements and line arrays, commercially available.
  • the disadvantages of this technology are similar to those of the III/V semiconductors. It is not compatible with silicon technology and contains lead, a heavy metal. In addition, there are also technical disadvantages. Photoresistors are comparatively slow and may degrade if accidentally exposed to UV light.
  • the third group of photodetectors in the NIR are devices based on the mechanism of internal photoemission.
  • a potential barrier can form at the interface between a semiconductor and a metal (Schottky junction).
  • Such an interface behaves electrically like a diode, where current flows across the interface for only one polarity.
  • Such components are referred to as Schottky diodes. If electromagnetic radiation falls on the metal layer at the interface, an electron (or hole, depending on the doping of the semiconductor) can be ejected from the metal and transferred to the adjacent semiconductor. These charge carriers can then in turn be measured as a photocurrent, see FIG. 7.
  • FIG. 7 shows a schematic view of a Schottky junction between a metal and a semiconductor in the band model.
  • the semiconductor may be n-doped or heavily n-doped (n + ). Due to the contact surface of the semiconductor with the metal, there is a shift in the valence band (E v ) and conduction band (E c ) in the semiconductor in the region of the transition. The Fermi level is labeled EF. With an incoming photon of energy hv, an electron e from the metal can overcome the potential barrier EB and contribute to a photocurrent. The remaining hole is marked with h.
  • Planar design variants of Schottky diodes are known in the prior art.
  • 5 shows a simplified Schottky diode in planar technology.
  • a metal layer 2 is applied to a silicon substrate 1, and the Schottky junction (or the Schottky barrier) is formed at its interface with the substrate 1.
  • An (ohmic) contact 3 for electrically contacting the substrate 1 is applied next to the metal layer 2 .
  • the contact is shown in simplified form. It can consist of several layers and implantation areas in the substrate.
  • the substrate 1 can be n-doped, for example.
  • the metal layer 2 is provided with an electrical contact 2a, the ohmic contact 3 with the contact 3a. If the polarity is correct, a current can flow through the diode via the contacts 2a and 3a.
  • the diode from FIG. 5 can, under certain circumstances, be used as a photodiode, as shown schematically in FIG. 6, when it is irradiated with electromagnetic radiation. It makes sense to illuminate from the back of the component through the substrate, since the radiation on the front would only be reflected by the metal 2 and would therefore not reach the boundary layer between the metal 2 and the semiconductor substrate 1 . Since the diode is operated in a wavelength range above the limit wavelength of the semiconductor, the semiconductor substrate 1 is transparent for this wavelength range. After transmission through the substrate 1, the radiation 6 strikes the metal layer 2. There, for example, an electron 4 can be transported from the metal 2 into the substrate 1 across the Schottky barrier. If enough charge carriers are "generated” in this way, they can be measured as a photocurrent 7 via the contacts 2a and 3a.
  • planar Schottky diodes as photodiodes, as described above, is the very low sensitivity. Charge carriers are only released from the metal 2 in a very thin boundary layer of the metal, since the charge carriers otherwise lose their energy due to scattering processes in the metal before they reach the Schottky barrier. Furthermore, the probability of leaching, which is associated with an energetic excitation of the charge carrier in the metal 2, is generally low. Most of the radiation is reflected by the planar metal layer 2, which acts as a mirror, and is thus lost. Therefore, simple planar Schottky diodes have not found application as photodiodes.
  • the planar metal layer 2 can be integrated into an optical resonator.
  • a dielectric mirror layer which is tuned to a wavelength
  • a resonator results which reduces the reflection losses of the metal layer through multiple reflection in the resonator.
  • Different variants of this principle have been investigated [1].
  • the quality of the optical resonator is strongly dependent on the wavelength of the radiation. As a result, the wavelength range for which the sensitivity can be increased is too small for many applications. Furthermore, there is a strong dependency on the angle of incidence of the radiation for such an embodiment. This is also disadvantageous for many applications.
  • optimization methods are known from science and from application in particular, which aim to increase the efficiency of such component approaches by the incident radiation being absorbed to a large extent or even completely, for example.
  • This can be realized by a structured surface within the detector [2, 4], the realization of layer stacks, which optimize the have gel properties [5, 6] or the use of plasmonic structures, whereby these are also used in combination with structured surfaces [7-9].
  • a special form of a plasmonic structure that can be used to absorb incident radiation are so-called "plasmonic perfect absorber" [10], where plasmonic active structures are arranged in front of a continuous metallization in such a way that for specific frequencies there is almost complete absorption of the incident radiation within the plasmonic structure.
  • FIG. 8 shows such a pyramidal structure 10 in a silicon substrate 1 in a schematic side view.
  • the pyramids (if the structuring is only in one direction, then V-grooves or ridges are formed) are produced with an anisotropic wet-chemical etching process, e.g. etching with TMAH. This results in very clean, well-defined surfaces.
  • the metal 11 for the Schottky junction is advantageously applied only in the area of the pyramid tip. When illuminated from the back, the radiation is reflected on the side surfaces of the pyramid and directed to the top. What is important here is that the flank angles of the pyramids are crystallographically determined and are therefore not freely selectable. Round structures or those with a multiple basic cross-section cannot be produced with this method due to the predefined crystal planes.
  • FIG. 1 shows the cross section of a pyramidal structure 10 and a detail from the silicon substrate 1 from which the structure was created by etching.
  • the flank angle a 12 the crystal facet with the normal 13 to the substrate front is 35.3° for the wet-chemically etched structures and, as described above, is unchangeable in terms of process technology.
  • the top of the structure is covered with a metal 15.
  • the Schottky junction forms between this metal 15 and the silicon pyramid 10 .
  • a photocurrent can therefore only arise in the area of the tip.
  • the simplified light beam model of the optics can be used for further analysis, even if diffraction effects occur in the area of the tip.
  • a first ray 16 enters almost perpendicularly to the substrate surface, hits the pyramid 10 approximately in the middle and goes directly to the metallized tip 15.
  • a second ray 17 also enters almost perpendicularly, but hits the pyramid 10 at one of its facets and is there reflected for the first time. The beam reflected in this way then also hits the metallized tip 15.
  • complete reflection of the beam 17 only takes place under the condition that total reflection is involved, since there is no longer any metallization at this point.
  • the condition for total reflection is determined by the jump in refractive index at the facet interface and the angle of incidence of the light beam there.
  • flank angle a 12 (and thus the steeper the pyramid), the more reflections with a beam end point in the tip 15 and/or larger angles of incidence of the radiation to the substrate normal are possible.
  • the flank angle is fixed at 35.3° in terms of process technology. This value leads to a very large limitation of the usable ratio of (projected) metallization width to base width and/or the usable angular spectrum of the incident electromagnetic radiation, because a large part of the radiation is lost through unwanted retroreflection. Therefore, those shown in the prior art prove to be Solutions as actually not suitable to develop a great focusing effect and thus increase the sensitivity.
  • the flank angle a 12 should or must be significantly smaller.
  • the object of the present invention is to provide a concept for a method and a device for absorbing electromagnetic radiation, which enable an improved compromise between a sensitivity (sensitivity) and an effectiveness of a radiation absorption as well as a manufacturing and integration effort.
  • a further underlying object of embodiments according to the present invention is to provide a silicon photodiode which has a sensitivity in the NIR which is sufficient for most applications and can therefore replace the detector material InGaAs (and also a number of other materials).
  • Embodiments in accordance with the present invention include an electromagnetic radiation absorbing device comprising a substrate having a major face, the substrate being transparent to electromagnetic radiation; and one on the main side of the substrate arranged beam guide, wherein the beam guide comprises a semiconductor material and wherein the semiconductor material is transparent to the electromagnetic radiation.
  • the beam guiding device comprises a first and a second section, wherein the first section faces the substrate and is arranged between the substrate and the second section. Furthermore, a cross-sectional area of the beam guiding device decreases parallel to the main side of the substrate with increasing distance from the main side in the second section than in the first section.
  • the device comprises a metal material, the metal material being arranged on the second section of the beam-guiding device on a side of the second section facing away from the substrate, and the metal material having a Schottky designed for the absorption of the electromagnetic radiation with the second section - Transition provides.
  • Embodiments according to the present invention are based on the core idea with the aid of the beam guide device, the cross-sectional area of which decreases more with increasing distance from the main side of the substrate in the second section facing away from the substrate than in the first section facing the substrate, incident electromagnetic radiation through the beam guide in such a way that a large part of the radiation can be absorbed in the Schottky junction.
  • the beam guiding device has a two-stage geometry.
  • the inventors have recognized that this two-stage geometry can result in improved delivery of incident electromagnetic radiation into the Schottky junction of the device.
  • the beam guiding device can also have a geometry with more than two stages.
  • the first section of the beam guiding device can thus have, for example, a geometry that tapers only slightly with respect to a distance from the main side of the substrate.
  • the first section of the beam guiding device can have steep (relative to the main side of the substrate) side wall structures.
  • the second section of the beam guiding device can thus have, for example, a geometry that tapers sharply with respect to a distance from the main side of the substrate.
  • the second section of the beam guiding device can have flat (relative to the main side of the substrate) side wall structures.
  • the two-stage geometry of the beam guiding device according to the invention due to the weaker tapering geometry of the first section, as already motivated, large angles of incidence of the radiation to the substrate normal are possible, so that a large part of the incident radiation to the metal material and thus the Schottky junction can be transmitted between the metal material and the second portion to be absorbed. This means that only a small part of the incident radiation can have such an unfavorable angle of incidence that it cannot reach the Schottky junction. As a result, even small amounts of radiation can be detected.
  • the inventors have recognized that the disadvantages of a steep geometry of a beam guide, e.g. as explained above, an unfavorable ratio of a height (perpendicular to the main side of the substrate) to a base area (parallel to the main side of the substrate) of the beam guide, due to the dichotomy the geometry of the jet guide can be avoided or reduced.
  • a vertical height (perpendicular to the main side of the substrate) of the beam guide structure can be kept low by the second, for example flatter, section, which simplifies the production of a device according to the invention.
  • the advantages of a steep base, ie for example the first section, of the beam guiding device can be combined with cost-efficient and widespread semiconductor manufacturing processes. In this way, for example, a good ratio of height to base area can be achieved for the radiation guide structure, so that a large part of the radiation incident on the base area can be guided to the metallization.
  • the cross-sectional area of the beam guide device decreases parallel to the main side of the substrate with increasing distance from the main side in the second section more than in the first section
  • a cross-sectional area of the second section decreases (and thus not necessarily the cross-sectional area at any point of the second section considered) according to embodiments at least one point stronger than in the first section.
  • There is at least one point in the second section for example preferably at the transition from the first to the second section, at which the change in cross section (with respect to the orthogonal distance to the substrate surface) is greater compared to the first section.
  • the feature can also be understood in such a way that a cross-section in the second area decreases more than in the first area, i.e. a geometry of the beam guide device changes from the first to the second section, for example with an abrupt transition, for example with a discontinuous one Transition (e.g. with regard to a function which describes an outer shape of the jet guide device in lateral cross section (e.g. idealized)), tapers.
  • exemplary embodiments can have geometries in which changes in cross-sectional area occur in the first section that are greater at a specific point (in relation to a vertical distance from the substrate surface) than at a specific point in the second section.
  • a relative cross-sectional change can be larger or stronger in the second section than in the first section.
  • a relative change can be expressed as a percentage reduction per increment of vertical distance to the substrate surface. While with constant slope within the first section and constant slope within the second section but different from the first section, the absolute change in cross-sectional area with increasing distance varies within a section, possibly quadratically decreasing, relative change may remain constant.
  • start cross section which can be understood as any virtual start value, for example at the transition between the first and second section, the cross-sectional area in the second section decreases more than in the first section.
  • the first section of the beam guiding device has a first side wall structure which, starting from the substrate, is inclined at a first angle of inclination in relation to a surface normal of the main side, so that the first section tapers, starting from the substrate, by the electromagnetic radiation received from the substrate to focus.
  • the beam guiding device can have an inclined side wall in order to guide and/or focus incident electromagnetic radiation in the direction of the Schottky junction. This can improve the absorption efficiency of the device.
  • the second section has a second side wall structure which, starting from the first section, is inclined at a second angle of inclination with respect to a surface normal of the main side, the second angle of inclination being greater than the first angle of inclination, so that the second section extends from the first section tapered.
  • sidewalls of the first and second sections may have different or different flank angles.
  • the second section with the second side wall structure is designed to focus the electromagnetic radiation received from the substrate and/or to promote absorption of the electromagnetic radiation in the Schottky junction by means of plasmonic effects.
  • the second section can in turn have an angle of inclination dimensioned in such a way that electromagnetic radiation is deflected at a boundary surface of the second section to the environment in the direction of the metallization.
  • the device can have good absorption efficiency.
  • the first angle of inclination is at least 1° and at most 25°, or the first angle of inclination is less than 10°.
  • the second angle of inclination can be at least 10° and at most 90°.
  • the first angle of inclination is an angle between a tangent of the first side wall structure and the surface normal at the transition between the first and the second section of the beam guiding device.
  • the second angle of inclination is an angle between a tangent of the second side wall structure and the surface normal at the transition between the first and the second section of the beam guiding device.
  • the first angle of inclination is an angle between a secant of the first side wall structure and the surface normal, the secant being determined by two points that are vertically superimposed on the first side wall structure with respect to the main side of the substrate, with a first of the two points being in a line of intersection between the first sidewall structure and the main side of the substrate and wherein a second of the two points lies in a line of intersection between the first and the second section of the beam directing device.
  • the second angle of inclination is an angle between a secant of the second side wall structure and the surface normal, the secant being determined by two vertically superimposed points on the second side wall structure with respect to the main side of the substrate, with a first of the two points being in an intersection line lies between the first and the second section of the beam guide and wherein a second of the two points forms a point of the second section with the greatest vertical distance to the main side of the substrate.
  • the inclination angles can be flank angles at the transition between the first/second section, or average flank angles.
  • the Schottky junction is adapted to a wavelength range and a width of an interface between the first and second section of the beam guide projected onto the base area of the beam guide is at least 0.2 times a wavelength of the wavelength range and at most 15 times a wavelength of the wavelength range, wherein the base area of the beam guide is an interface of the beam guide with the substrate.
  • an advantageous geometry of the beam guiding device can be set in an application-specific or wavelength-range-specific manner, which can have a height that is advantageous in terms of production engineering while at the same time having good absorption properties.
  • the first and/or the second side wall structure is straight or curved. Exemplary embodiments are not restricted to a specific form of the side wall structures, so that, for example, devices can be manufactured in large numbers with rapid etching processes, so that, for example, no high requirements have to be met in terms of the precise configuration of the side wall structures.
  • the second section of the beam guiding device has a tip or a flattened tip on a side facing away from the substrate, the metal material being arranged only in the area of this tip or flattened tip.
  • Exemplary embodiments according to the present invention are not limited to a single configuration of the end of the second section of the beam guiding device that faces away from the substrate.
  • a manufacturably advantageous flattened tip can be created, which can promote low-cost manufacture, while still allowing the device to have good absorption properties through the beamline.
  • the Schottky junction is adapted to a wavelength range and the second section has a flattened tip, a flattened area of the tip having a width parallel to the main side of the substrate which is smaller than a smallest wavelength of the wavelength range. or which corresponds to the smallest wavelength of the wavelength range.
  • the flattened area or the width of the peak typically cannot be made much smaller than the smallest wavelength in the semiconductor (e.g. not much smaller than the smallest wavelength of the wavelength range). Good absorption properties can thus be set in an application-specific manner, depending on the wavelengths to be absorbed.
  • the tip or the flattened tip of the beam guiding device is designed to bring about and/or intensify plasmonic effects in the metal material applied in the area of the tip.
  • the absorption of the electromagnetic radiation can be favored by plasmonic effects.
  • the semiconductor substrate comprises a layer stack; and/or the semiconductor material of the beam guiding device comprises silicon, germanium and/or a material compound comprising silicon and/or germanium.
  • inexpensive and readily available silicon technology can be used to produce devices according to the invention. Due to the improved absorption efficiency according to the invention, silicon can also be used in wavelength ranges (for example NIR) for which silicon has only insufficient radiation absorption in conventional approaches.
  • the metal material comprises a layer stack and/or the metal material comprises a metal, a silicide and/or a metallic nitride.
  • the metal material comprises at least one of aluminum, copper, nickel, gold, titanium, nickel silicide, cobalt silicide, titanium silicide and/or titanium nitride.
  • Exemplary embodiments according to the present invention enable the use of a large number of metal materials, so that, for example depending on the radiation to be detected, an advantageous material combination of beam guiding device and metal material, for example metallization, can be used.
  • the semiconductor material of the beam guide device has a doping, with a doping level of the doping towards the Schottky junction being constant, stepped or changing gradually.
  • An advantageous doping profile can be set depending on the manufacturing process and specific area of application.
  • the beam guiding device has an at least partially round, elliptical or polygonal base area, with the base area of the beam guiding device forming the interface of the beam guiding device with the substrate.
  • the base area can, for example, have the shape of a flattened semicircle.
  • a large number of basic forms can be used of the beam guiding device, so that, for example, an available substrate area can be well utilized.
  • the beam guiding device has a height, vertical to the main side of the substrate, of at least 0.5 ⁇ m and at most 25 ⁇ m.
  • the inventors have recognized that by dividing the geometry of the beam guiding device into two, beam guiding devices with height profiles that can be produced easily can be used with good absorption properties at the same time.
  • the device is designed to absorb electromagnetic radiation with wavelengths in the range of at least 1000 nm and at most 3000 nm or at least 1000 nm and at most 1700 nm.
  • the device can be designed to absorb radiation in a wavelength range that is used for telecommunications applications. Due to the improved beam guiding properties and thus absorption, material combinations can also be used for wavelength ranges for which they have not previously had sufficiently good absorption properties, so that devices according to the invention can be produced with less time and integration effort, e.g. due to the use of established materials such as silicon .
  • the device comprises a first and second electrical contact, the first contact being electrically conductively connected to the metal material; and wherein the second contact is electrically conductively connected to the semiconductor material.
  • the first and second contacts are designed to provide a photocurrent, based on an internal photoemission, through electromagnetic radiation absorbed at the Schottky junction. Through the contacting, the photocurrent can be made available to other circuit parts or, for example, to an evaluation device.
  • the first and second contacts are arranged on opposite sides of the device.
  • the first and second contacts are arranged on the same side of the device.
  • embodiments according to the present invention can have a front or a back contact.
  • an advantageous design can be chosen so that a good compromise between production and integration costs can be achieved.
  • FIG. 1 For example, the system can include structures such as the devices or beam guide devices as a multi-pixel arrangement for the function as an image sensor.
  • the system is an image sensor.
  • silicon-based image sensors can be provided at low cost with good availability and efficiency at the same time.
  • the multiplicity of devices is arranged in a rectangular, square or hexagonal grid.
  • any “free” substrate areas can be occupied with radiation sensors according to the invention, so that existing chip area can be well utilized.
  • the metal materials of the plurality of devices have a first common contact and/or the common substrate has a second common contact.
  • the metal materials of the plurality of devices have a first common contact and/or the common substrate has a second common contact.
  • contacts can be brought together, which means that the integration effort can be reduced.
  • the method further comprises transmitting the electromagnetic radiation through the first and second area of the beam guiding device, or reflecting the electromagnetic radiation on a side wall structure of the first and/or second section of the beam guiding device; and absorbing the electromagnetic radiation in a Schottky junction, wherein the Schottky junction is provided by a metal material together with the second section and wherein the metal material is arranged on the second section of the beam guide, on a side of the second section remote from the substrate .
  • FIG. 1 For exemplary embodiments according to the present invention, include a method for producing a device for absorbing electromagnetic radiation comprising providing a substrate having a main side, the substrate being transparent to the electromagnetic radiation, and arranging a beam guiding device on the main side of the substrate, the Beam guide comprises a semiconductor material.
  • the semiconductor material is transparent to the electromagnetic radiation
  • the beam guiding device comprises a first and a second section, the first section facing the substrate and being arranged between the substrate and the second section, and a cross-sectional area of the beam guiding device being parallel to the main side of the Substrate with increasing distance to the main side in the second section more reduced than in the first section.
  • the method comprises arranging a metal material on the second section of the beam guiding device, on a side of the second section facing away from the substrate, the metal material having the second section provides a Schottky junction set up for the absorption of the electromagnetic radiation.
  • the arrangement of the beam guiding device comprises a dry-chemical and/or a wet-chemical etching process.
  • Production methods according to the invention can, for example, include dry etching methods for the production of straight side wall structures.
  • wet-chemical etching methods can also be used.
  • exemplary embodiments according to the present invention are not limited to one form of etching process, which allows further degrees of freedom with regard to integration into existing manufacturing processes.
  • arranging the beam guiding device further comprises arranging a semiconductor material on the substrate; and etching the semiconductor material with a dry-chemical etching method in two directly consecutive process steps using at least two configurations.
  • the etching of the semiconductor material includes etching the semiconductor material in a first process step using the dry-chemical etching method with a first parameterization to produce the first section of the beam guiding device, and etching the semiconductor material in a directly subsequent second process step using the dry-chemical etching method with a second parameterization for Production of the second section of the beam guide.
  • the first and second parameterization of the dry-chemical etching process are selected such that a cross-sectional area of the beam guide parallel to the main side of the substrate decreases more in the second section than in the first section as the distance from the main side increases.
  • the beam guiding device can be manufactured in two consecutive etching steps, for example, without removing it from an etching device, which saves time and eliminates the need for renewed clamping in other devices for renewed etching, so that the beam guiding device can be produced with good precision can.
  • the method further comprises providing a carrier layer; and arranging an insulator layer on the carrier layer; and arranging the semiconductor material on the insulator layer; and a at least partially removing the carrier layer after the arrangement of the beam guiding device.
  • the carrier layer can, for example, also comprise a semiconductor material and give the device mechanical stability during processing and can be at least partially removed again after processing.
  • embodiments of the present invention may include a silicon-on-insulator (SOI) substrate.
  • SOI silicon-on-insulator
  • the method further comprises arranging a plurality of beam guiding devices on the main side of the substrate and arranging the metal material on the second sections of the beam guiding devices, on a side of the second sections facing away from the substrate, the arranging of the plurality of beam guiding devices a partial removal of the semiconductor material in an area between at least two adjacent beam guiding devices and arranging a common contacting of the at least two adjacent beam guiding devices in the area of the partially removed semiconductor material.
  • a common electrical contact can, for example, be in the form of a metallic web.
  • the contacting effort can be reduced on the one hand, and on the other hand, small photocurrents of a plurality of Schottky junctions can also be combined, so that even very small incidences of radiation on the respective beam guide devices can be detected.
  • 1 shows a schematic side view of a device for absorbing electromagnetic radiation according to exemplary embodiments of the present invention
  • 2 shows a schematic side view of a device for absorbing electromagnetic radiation with a flattened tip and a second section of the beam guiding device with a curved sidewall structure according to embodiments of the present invention
  • FIG. 3 shows a schematic side view of a device for absorbing electromagnetic radiation with a flattened tip and a first and a second section of the beam guiding device with respective curved sidewall structures according to embodiments of the present invention
  • FIG. 4a shows a schematic side view of a device for absorbing electromagnetic radiation with front contact according to exemplary embodiments of the present invention
  • 4b shows a schematic side view of a device for absorbing electromagnetic radiation with a rear side contact according to exemplary embodiments of the present invention
  • FIG. 5 shows a schematic side view of a simplified Schottky diode in planar technology
  • FIG. 6 shows a schematic side view of the Schottky diode of FIG. 5 when irradiated
  • Fig. 7 is a schematic view of a Schottky junction between a metal and a semiconductor in the band model
  • FIG. 8 shows a schematic side view of a pyramidal structure in a silicon substrate
  • FIG. 9 shows a schematic cross section of a pyramidal structure and a detail from a silicon substrate from which the structure was created by etching, with a schematic representation of an example of a beam path;
  • FIG. 10 shows a schematic view of a pyramidal structure with a schematic representation of an example of an unfolding of a beam path in the pyramidal structure resulting from successive reflections; 11 shows a schematic side view of a system for absorbing electromagnetic radiation according to embodiments of the present invention;
  • FIG. 12 shows a schematic side view of a beam guiding device according to exemplary embodiments of the present invention
  • FIG. 13 is a schematic side view of a conical photodiode according to embodiments of the present invention, with a schematic representation of an example of a beam path in the conical photodiode;
  • 16 is a schematic plan view of a system for absorbing electromagnetic radiation with a plurality of devices with a square base area of the beam guides, which are arranged in a square grid;
  • FIG. 17 shows a schematic top view of a system for absorbing electromagnetic radiation with a plurality of devices with a round base of the beam guides, which are arranged in a hexagonal grid;
  • FIG. 18 shows a schematic side view of an SOI substrate according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 19 shows a schematic side view of a plurality of devices for absorbing electromagnetic radiation, which are arranged on a common substrate, according to embodiments of the present invention
  • 20 shows a schematic side view of a multiplicity of devices for absorbing electromagnetic radiation, which are arranged on a common substrate, with the carrier layer removed, according to exemplary embodiments of the present invention
  • 21 shows a method for absorbing electromagnetic radiation according to exemplary embodiments of the present invention
  • FIG. 22 shows a method for producing a device for absorbing electromagnetic radiation according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a device for absorbing electromagnetic radiation according to exemplary embodiments of the present invention.
  • 1 shows the device 100 comprising a substrate 110 with a main side 112.
  • a beam guiding device 120 is arranged on the main side 112 of the substrate 110.
  • FIG. The beam guiding device has a first section 122 and a second section 124, the first section being arranged on the main side 112 of the substrate 110 and the second section 124 being arranged on a side of the first section 122 remote from the substrate 110.
  • the cross-sectional area (parallel to the substrate main side 112) of the second section 124 of the beam guiding device 120 decreases with increasing distance from the main side 112 more than the cross-sectional area (parallel to the substrate main side 112) of the first section 122 of the beam guiding device 120 with increasing distance from the main side 112.
  • the coordinate system 150 is shown in FIG. 1 for an optional configuration as a beam guiding device with a round cross-sectional area.
  • a radius n (and thus the associated cross-sectional area Q) of the first section 122 of the beam guiding device 120 decreases with increasing distance A from the main side 112 of the substrate 110 less than a radius r2 (and thus the associated cross-sectional area Q) of the second section 122 of the beam-guiding device 120 with increasing distance A from the main side 112 of the substrate 110.
  • a gradient dn/dA would therefore be smaller in absolute terms than a gradient dr2/dA, for example.
  • the example of a round geometry and the consideration of radii are only used to illustrate the change in cross section.
  • Devices according to the invention can have a large number of base areas and geometries.
  • a metal material 130 is arranged on the second section 124 of the beam guiding device 120 on a side of the second section 124 facing away from the substrate.
  • the substrate 110 is at least approximately or at least partially transparent for a wavelength range of electromagnetic radiation to be absorbed, so that when the side of the substrate 110 opposite the main side 112 is illuminated, the radiation can be transmitted through the substrate to the beam guiding device 120.
  • the beam guiding device 120 in turn has a semiconductor material which is also at least partially or at least approximately transparent to the electromagnetic radiation to be absorbed.
  • the electromagnetic radiation transmitted through the substrate 110 can thus be transmitted into the beam guiding device 120 .
  • the first section 122 can have a steep sidewall structure compared to the main side 112 of the substrate. This allows the first portion 122 of the beam guide 120 to have a focusing effect on incident radiation for a variety of angles of incidence.
  • the angles of incidence can here be measured, for example, in relation to the substrate normal.
  • a steep rise in the outer surface of the beam-guiding structure 120 relative to the main side 112 of the substrate 110 allows a majority of the radiation transmitted into the beam-guiding structure 120 to be transmitted in the direction of the metal material 130, so that the part of the incident radiation which is softer has a local angle of incidence to a Boundary surface between the beam-guiding structure 120 and the environment, which would lead to refraction from the beam-guiding structure 120, can be kept small.
  • the configuration of the second section 124 of the beam guiding structure 120 allows a height limitation of the beam guiding device despite the use of the advantages of the "steep" first section 122, or in other words the advantages of good beam guiding properties can be combined with the advantages of a low height of the beam guiding device (Height, for example, in the A direction) are connected synergistically.
  • the incident electromagnetic radiation can be conducted directly to the metal material 130, or via renewed reflections at an interface of the second section 124 (or also via further reflections in the first section).
  • the metal material 130 is designed to form a Schottky junction 140 with the second section 124, i.e. for example with the semiconductor material of the beam guiding device 120 of the second section 124, so that the electromagnetic radiation conducted to the metal material and thus to the Schottky junction 140 is absorbed can.
  • the device 200 includes a substrate 110 with a main side 112 and a beam guide 220.
  • the first section 222 of the beam guide 220 has a side wall structure 221
  • the second section 224 of the beam guide 220 has a side wall structure 223.
  • the second section 224 of the beam guiding device 220 can have a flattened tip 240 on a side facing away from the substrate.
  • the metal material 230 is only arranged in the region of this tip. It should be noted that the second portion may also have a non-flattened tip, such as that shown in Figure 1, and accordingly the metal material may be located in an area around the tip.
  • the metal material is configured to form a Schottky junction with the semiconductor material of the second portion 224 for absorbing electromagnetic radiation.
  • the Schottky junction can be adapted to a wavelength range, or, to put it another way, it can be designed, for example by selecting the material, to absorb radiation well in a specific wavelength range.
  • One can Width Bs of a flattened area of the tip 240 have a width parallel to the main side 112 of the substrate, which is smaller than a smallest wavelength of the wavelength range, or which is of the order of a wavelength in the corresponding wavelength range. The absorption of the electromagnetic radiation can thus be favored, for example due to a reduction in the reflection components of the electromagnetic radiation.
  • devices according to the present invention can be designed to absorb electromagnetic radiation with wavelengths in the range of at least 1000 nm and at most 3000 nm or at least 1000 nm and at most 1700 nm.
  • the semiconductor material of the beam guiding device 220 can have a doping, and a degree of doping of the doping towards the Schottky junction can be designed to be constant, stepped or changeable gradually.
  • the tip 240 (or a non-flattened tip) can be designed to bring about and/or intensify plasmonic effects in the metal material 230 applied in the area of the tip. This in turn can promote absorption of the electromagnetic radiation.
  • the sidewall structure 221 of the first section can be inclined at a first angle of inclination a with respect to a surface normal N a of the main side, such that the cross-sectional area of the first section 222 tapers with increasing vertical distance to the main side 112 of the substrate. Due to the geometry of the first section, which tapers starting from the substrate, radiation transmitted in the first section can be focused, for example in the direction of the metal material 230, which is arranged on the second section 224 of the beam guiding device.
  • the side wall structure 223 of the second section 224 can also be inclined with respect to a surface normal N ⁇ of the main side.
  • the associated angle of inclination is ß.
  • the second inclination angle ⁇ can be greater than the first inclination angle ⁇ , so that the second section 224 tapers starting from the first section 222, and thus a greater reduction in the cross-sectional area of the second section 224 with increasing vertical Distance to the main side 112 can be adjusted in comparison to the reduction in cross-sectional area of the first section 222 with increasing vertical distance from the main side 112 .
  • incident electromagnetic radiation can be focused due to the inclination of the side wall structure, e.g. in the direction of the metal material 230, so that a large or e.g. predominant part of the incident radiation can be absorbed.
  • a geometry, e.g. a lateral (in relation to the main side 112) extension, of the metal material can be designed in such a way that plasmonic effects occur, which cause absorption of incident radiation which is incident on the metal material 230 and the semiconductor material of the second portion 224 may favor Schottky junction formed.
  • the angle of inclination a can, for example, be an angle between a tangent T a of the first side wall structure 221 and the surface normal N a at the transition between the first and the second section of the beam guiding device 220 .
  • FIG. 3 shows a schematic side view of a device for absorbing electromagnetic radiation with a flattened tip and a first and a second section of the beam guiding device with respective curved sidewall structures according to embodiments of the present invention.
  • both the first section 322 and the second section 324 of the beam guiding device 320 of the device 300 have curved side wall structures 321, 323.
  • device 300 has a flattened tip 340 corresponding to device 200 .
  • the metal material 330 as shown in FIG. 3, can also be arranged outside of the immediate flattening of the tip, ie in an area around the flattened tip
  • any combination of straight and curved sidewall structures can be used.
  • a single section of the Have jet guide straight and curved sidewall structures can be used.
  • exemplary embodiments according to the present invention are not restricted to symmetrical beam guiding devices.
  • side wall structures of sections of the beam guiding device can each have different angles of inclination.
  • a tip of the second section can also be arranged outside of an area around a lateral center point of the second section 324 .
  • the beam guiding device 220 can have an at least partially round, elliptical or polygonal base area, with the base area of the beam guiding device forming the interface of the beam guiding device with the substrate 110
  • the tilt angle of the first sidewall structure 322 can also be a tilt angle y, which is an angle between a secant S s of the first sidewall structure 322 and the surface normal N Y , the secant divided by two vertical, with respect to the main side of the substrate , overlying points on the first sidewall structure is determined, with a first of the two points lying in a line of intersection between the first sidewall structure 322 and the main side 112 of the substrate 110, and with a second of the two points in a line of intersection between the first and second sections of the Beam guide 320 is (first point P Y i, second point Py2).
  • y is an angle between a secant S s of the first sidewall structure 322 and the surface normal N Y , the secant divided by two vertical, with respect to the main side of the substrate , overlying points on the first sidewall structure is determined, with a first of the two points lying in a line of intersection between the first sidewall structure 322 and the main side 112 of the substrate
  • the angle of inclination of the second side wall structure 322 can also be an angle of inclination ö, which is an angle between a secant S ⁇ of the second side wall structure 323 and the surface normal N ⁇ , the secant passing through two vertically, with respect to the main side 112 of the substrate, on the second side wall structure 323 superimposed points is determined, a first of the two points lying in a line of intersection between the first and the second section of the beam guide and a second of the two points forming a point of the second section with the greatest vertical distance to the main face of the substrate (first point P öi , second point Pö2).
  • the first angle of inclination that is, for example, angle a or angle y
  • the second angle of inclination is at least 10° and at most 90°.
  • a width BA of an interface between the first and second sections of the beam guide 320, projected onto the base surface of the beam guide can be at least 0.2 times a wavelength of the wavelength range and at most 15 times a wavelength of the wavelength range, wherein the Base area of the beam guiding device 320 is a cutting surface of the beam guiding device with the substrate 110 .
  • a height H, vertical to the main side of the substrate, of a device 300 according to the invention can have, for example, at least 0.5 ⁇ m and at most 25 ⁇ m.
  • the semiconductor substrate 110 may optionally include a layer stack.
  • the semiconductor material of the beam guide device 120, 220, 320 can comprise at least one of silicon, germanium and/or a material compound comprising silicon and/or germanium.
  • the metal material 130, 230, 330 can in turn also comprise a stack of layers.
  • the metal material 130, 230, 330 can comprise at least one of a metal, a silicide and/or a metallic nitride.
  • the metal material 130, 230, 330 may include at least one of aluminum, copper, nickel, gold, titanium, nickel silicide, cobalt silicide, titanium silicide, and/or titanium nitride.
  • FIG. 4a shows a schematic side view of a device for absorbing electromagnetic radiation with front-side contacting according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 4b shows a schematic side view of a device for absorbing electromagnetic radiation with rear-side contacting according to exemplary embodiments of the present invention.
  • devices 400a and 400b are shown. Both devices include a substrate 110 with a main side 112 and a beam guiding device 420, which can be designed, for example, according to one of the previous exemplary embodiments.
  • both devices have a first contact 440 which is electrically conductively connected to the respective metal material 430 .
  • the device 400a has a contact material 450a, which can have good conductivity, for example, and is attached to the semiconductor material of the second section 424 of the Beam guide is arranged, for example. As shown in Fig. 4a shown in close proximity to the metal material.
  • the device can have a second contacting 460a, which is arranged on the contact material.
  • the second contact 460a is accordingly electrically conductively connected to the semiconductor material of the beam guiding device 420 .
  • the first and/or second contact material 450a, 450b can each be in the form of an ohmic contact.
  • the contact can also be provided via other conductive materials, such as doped semiconductor regions.
  • a contact material 450b can also be designed to provide an electrically conductive connection of the semiconductor region of the second section in the immediate vicinity of the metal material 430 to the side of the substrate 110 opposite the main side 112.
  • a second contacting 460b may be arranged on the back side of the substrate. The second contact 460b is accordingly electrically conductively connected to the semiconductor material of the beam guiding device 420.
  • the first and second contacts can each be designed to provide a photocurrent, based on an internal photoemission, through electromagnetic radiation absorbed at the Schottky junction.
  • the first and second contacts can be located on the same side of the device.
  • the first and second contacts may be on opposite sides of the device.
  • the contact 450a is arranged outside the tip on the front side and the contact 450b is arranged directly on the back side (e.g. without conductive trace on the front side, e.g. direct substrate contact).
  • Such an arrangement can, for example, be easier to implement than that shown in Figs. 4a and 4b with ohmic contacts 450a and 450b.
  • exemplary embodiments according to the present invention can include contacts on the front or rear. Further exemplary embodiments are explained below and some previously explained exemplary embodiments are explained in other words. For this purpose, ideas according to the invention or ideas for solutions of the invention according to exemplary embodiments are first explained in other words.
  • Embodiments according to the present invention are based on the finding that the pyramidal structures described in the prior art are in principle suitable for focusing electromagnetic radiation into a small spatial area at the tip and thus improving the sensitivity (or the signal-to-noise ratio),
  • the effect of this property is completely inadequate for meaningful applications due to the flank angle being too large due to technological reasons.
  • the pyramid structure 50 has a base 56 and a top 55 which represents the projection of the metallized area onto the base.
  • the flank angle a 12 is defined as in FIG. Shown are two facet edges 51 and 52 of the pyramid. Also shown are mirror images 53 and 54 of the two facets 51 and 52 (mutual reflections).
  • the associated mirror images of the tip 55 are denoted by 57, 58 and 59.
  • This representation corresponds to an unfolding of the zig-zag course of light rays in the pyramid, which is the result of successive reflections. With the help of the mirror images, light rays can be represented as straight lines.
  • a first ray of light 60 enters the pyramid, crosses the facet 52 once and strikes the mirror image 57 of the tip 55.
  • a second ray of light 61 also enters the pyramid, but successively crosses the Facet 52 and mirror images 53 and 54 without hitting any of mirror images 57, 58 and 59. Rather, it crosses other mirror images of the facets 51 and 52 that are no longer shown, without ever encountering a mirror image of the tip 55 . In real terms, this means that the ray 61 leaves the pyramid again after a series of reflections at the facets without having been detected, since it misses the apex 55 .
  • the metallization of the tip should or, for example, even has to have a reasonable minimum dimension (width/area projected onto the base area) that depends on the base width, otherwise a large part of the radiation enters the pyramid through reflection can exit again without being detected.
  • the flank angle a while remaining the same Base and tip width are achieved so that a light beam can still hit the metallization even after several reflections.
  • the focus property of the structure can be significantly improved.
  • a first step towards the solution can be a significant reduction in the flank angle, for example preferably less than 10°.
  • the pyramid which becomes steeper as a result, can become considerably higher with the same base area. This circumstance is not desirable, since the realization with the standard methods of semiconductor technology can be made significantly more difficult as the structural height increases.
  • a solution to this problem according to the invention lies in a division of the pyramidal structure into a lower area with a small flank angle and an upper area with a larger flank angle.
  • the width of the upper region projected onto the base area of the structure can, for example, advantageously be of the order of a few wavelengths of the electromagnetic radiation in the semiconductor.
  • the Schottky transition can be adapted to a wavelength range and a width of an interface between the first and second section of the beam guide projected onto the base area of the beam guide can be of the order of a few wavelengths of wavelengths of the wavelength range.
  • FIG. 11 shows a schematic side view of a system for absorbing electromagnetic radiation according to embodiments of the present invention.
  • the system comprises a plurality of devices, each having beam guiding devices comprising a first section 20 and a second section 24 .
  • the beam guiding devices are arranged on a common substrate 1 and can be arranged in a grid.
  • the structures consist of the lower region 20 and the upper region 24 and can be produced from the substrate 1 using different dry etching methods, for example.
  • the facet surfaces do not necessarily have to be flat.
  • they may well have a curvature.
  • Such a shape of the upper structure 24 can, in addition to the height limitation, also have the great advantage, for example, of having a focusing effect itself and, for example, of enabling the above-mentioned plasmonic effects in principle by the tapering.
  • a planar delimitation of the beam guiding device designed here as an example as a pyramid (truncated pyramid) with a flat facet parallel to the substrate surface, may be technologically simpler, but may not be expedient here, for example.
  • a flat facet could act primarily as a plane mirror and, for example, reflect back most of the radiation. Since, as explained above, the width (or the projected area) of the upper structure 24 should not be too small, or even may be, in order to still ensure or at least enable the focusing effect, a very small planar surface could also be used instead, which would possibly also allow plasmonic effects , be largely ineffective.
  • This novel approach of dividing the structures into two is not limited to pyramids.
  • a much more diverse structuring can be made possible according to exemplary embodiments.
  • different etching methods can be combined, for example by using a different method for the lower area 20 than for the upper area 24, so that the surfaces in the lower area 20 are almost flat and in the upper area 24 have a curvature.
  • all structures that can be used in a meaningful way have in common the shape that tapers upwards.
  • a cross-sectional area of the beam guiding device parallel to the main side of the substrate decreases more in the second section than in the first section as the distance from the main side increases.
  • they are referred to below as an example of configurations of the beam guiding devices using the collective term conical structures, even if a cone has a round cross section in normal usage.
  • other cross-sectional shapes e.g. polygons, circles and ellipses, are also to be understood as meaning, the flank angle of which can also change at least once.
  • the metal material for example the metallization
  • the metal material can also advantageously (but not necessarily) be applied only in the area of the tip. Since at a Schottky junction charge carriers can also get through the barrier into the adjacent semiconductor due to thermal excitation, which can lead to increased dark current and the associated electrical noise, it can be very advantageous, for example, for the Schottky junction interface to be small to keep.
  • the conical structures can be made, for example, via the shape of the boundary curves in a section perpendicular to the substrate surface.
  • FIG. 12 shows such a cross section through a round or square conical structure 10, for example.
  • 12 shows a schematic side view of a beam guiding device according to exemplary embodiments of the present invention.
  • the structure is bordered in the lower area by the curve pieces 70a and 70b.
  • the upper area includes the curve pieces 71a and 71b.
  • the different flank angles 74 and 75 are measured from the normal 72 to the substrate surface. Since the individual curve sections can have a curvature, the tangents 73a and 73b on the curve sections are formed at the points at which they meet for a meaningful definition of the flank angles 74 and 75 . It can be seen from FIG.
  • flank angle ⁇ 75 is greater than the flank angle ⁇ 74 .
  • Values between 1° and 25° are advantageous for the angle ⁇ 74 and values between 10° and 90° for the upper angle ⁇ 75 .
  • flank angle can represent an idealization from a process engineering point of view in the production of such structures, since the relevant surface areas can always have a certain roughness, for example.
  • the transition from one curve (surface) piece to the next can have bumps and small deviations from the target shape. Applying tangents in this sense can be thought of as averaging the actual curve points over a sufficiently small portion of the curve.
  • exemplary embodiments also include structures that have a small shoulder or web at the transition from the curved section 70a to the curved section 71a, or in which the tip is rounded at the transition from the curve 71a to 71b.
  • Exemplary embodiments of the solution according to the invention can have different shapes of the beam guide devices, for example designed as two-stage conical structures.
  • This can be both the basic shape of the structure base, i.e. e.g. the interface of the beam guiding device with the substrate, as well as the shape of the surface parts, i.e. e.g. the side wall structure (e.g. curved or straight) of which they can consist, regarding.
  • the shape of the shape i.e. e.g. the side wall structure (e.g. curved or straight) of which they can consist, regarding.
  • some or even all embodiments or embodiment variants can be based on the IPE principle and can therefore have a Schottky junction at least in the (possibly flattened) tip of the conical structure.
  • FIG. 14 shows schematic top views of beam guides according to the present invention.
  • a two-stage four-sided pyramid is formed from a square base 20 .
  • a circular base 30 gives a two-stepped cone.
  • the third example shows a hexagonal base 40 resulting in a two-tiered hexagonal pyramid.
  • FIG. 15 shows two possible designs in cross section perpendicular to the substrate surface.
  • FIG. 15 shows schematic side views of two beam guiding devices according to exemplary embodiments of the invention.
  • the first structure 1510 consists of four curved sections, in which the lower area, ie for example the first section of the beam guiding device, has a straight edge and the upper area, ie for example the second section of the beam guiding device, has a curved edge with a tip.
  • the second version 1520 also has a fifth curved piece (small compared to the other structure size) in the upper area, which gives the conical structure a flat end.
  • the beam guide 1520 has a flattened tip.
  • the second embodiment can have advantages in terms of process technology.
  • different semiconductor materials can be used for the realization of the beam guiding devices, for example designed as conical structures.
  • silicon germanium or an alloy of silicon and germanium can also be used.
  • the semiconductor can have an n or p doping, as a result of which either electrons or holes are the majority charge carriers of the device, for example in the form of a diode.
  • the doping can be homogeneous or gradual towards the interface.
  • the Schottky junction can be achieved by covering the semiconductor with a metallic material, e.g. comprising a metal.
  • a metallic material e.g. comprising a metal.
  • This can be aluminium, copper, nickel, gold or titanium, for example.
  • silicides such as nickel silicide (NiSi), cobalt silicide (CoSi) or titanium silicide (TiSi) can also be used.
  • metallic nitrides such as titanium nitride (TiN).
  • An essential condition for the material on the metal side of the component can be sufficient or good electrical conductivity.
  • a layer stack of different materials such as TiN/Al can also be used.
  • a system of devices according to the invention can be constructed from or include a plurality of beam guide devices, for example in the form of conical structures. These can, but do not have to, be arranged in a grid. Different grids are possible, e.g. square or hexagonal.
  • 16 shows a schematic plan view of a system for absorbing electromagnetic radiation with a plurality of devices with a square base area of the beam guides, which are arranged in a square grid.
  • FIG. 17 shows a schematic plan view of a system for absorbing electromagnetic radiation with a multiplicity of devices with a round base area of the beam guides, which are arranged in a hexagonal grid. In other words, FIG.
  • FIG. 16 shows as an example a square arrangement of square pyramidal structures in a diode and FIG. 17 shows a hexagonal arrangement of cone structures.
  • the sensitivity of the absorption device for example in the form of a diode, can be increased since the effective total area is increased.
  • the tips can be provided with a common metallization.
  • a system 1600, 1700 according to the invention for the absorption of electromagnetic radiation can comprise a multiplicity of devices 1620, 1720 according to the invention, the devices being arranged in a grid 1630, 1640, and the substrates of the multiplicity of devices having a common substrate 1610, 1710 form.
  • the system 1600, 1700 can optionally be designed as a diode or image sensor, for example.
  • the system 1600, 1700 can have a focal plane array (FPA) or be designed as such.
  • FPAs may include or be configured as image sensors for infrared applications.
  • image sensors in the infrared can be referred to as FPA, for example, although they are functional image sensors.
  • FPA focal plane array
  • devices according to the invention and their beam guiding devices can be arranged in any grid shape, for example in a rectangular, square or hexagonal grid.
  • a contacting effort can be simplified by, for example, metal materials of the plurality of devices 1620, 1720 having a first common contact and/or the common substrate 1610, 1710 having a second common contact.
  • FIG. 13 shows a schematic cross section through a square conical structure 20 in which the lower area is bordered by straight lines 21 and the upper area by curved sections 24 . Due to the steeper flank angle a 22, the three light beams 26, 27 and 28 shown as an example reach the metal material, for example a metallization 25 of the structure, even after several reflections.
  • the clear advantage over the prior art in FIG. 9 can be seen here.
  • the metal material as shown in FIG. 13, can cover the entire surface of the beam-guiding device opposite the main side of the substrate 1, or, for example, as shown in FIG. 1, only part of it, for example an area around the top of the second section.
  • the solution according to the invention can also be designed in such a way that the two contacts for making electrical contact with the device, e.g. designed as a photodiode, are not arranged on the front side of the substrate, as shown in FIG located on the back of the substrate (back contact of the semiconductor).
  • FIG. 18 shows a schematic side view of an SOI substrate according to embodiments of the present invention.
  • a so-called SOI substrate 500 can also be used as a substrate for the devices according to the invention, for example designed as conical photodiodes.
  • the substrate can consist of three layers.
  • the first layer 510 can consist of a semiconductor material and is referred to as the carrier layer. With a thickness of a few 100 ⁇ m, for example, it can provide mechanical stability during processing.
  • the second layer 520 can consist of an insulator material and can, for example, be designed to be very much thinner than the carrier layer 500, for example typically in the range of a few 100 nm or a few micrometers.
  • the third layer 530 can in turn consist of a semiconductor material and can vary in thickness depending on the application. In semiconductor technology, the material combination silicon-silicon dioxide-silicon is used almost exclusively.
  • the electronically functional component can arise in the third layer 530, which can be adapted in terms of its properties (e.g. doping), or in other words can be produced in the course of a production method according to the invention.
  • the advantage of using such substrates for exemplary embodiments according to the present invention can be the possibility after processing of the devices, which can be embodied as diodes, for example, in the functional layer 530 the carrier layer 510 selectively (e.g. by wet-chemical etching) compared to the insulator layer 520 to be able to remove. As a result, the light path through the substrate can be substantially shortened.
  • FIG. 19 shows a schematic side view of a multiplicity of devices for absorbing electromagnetic radiation, which are arranged on a common substrate, according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 19 shows an intermediate product of a manufacturing process.
  • the light guide devices e.g. designed as conical structures 540 for the devices, which can be e.g. photodiodes, can be structured into the third layer 530, e.g. by etching processes, e.g. by means of a dry-chemical etching process in two directly consecutive process steps using at least two parameterizations. If adjacent structures require a common electrical contact, a thin web 550 can remain between these structures. If this is not the case, the side wall of the conical structure can also extend to the second layer 520.
  • arranging a beam-guiding device on the main side of the substrate can include processing the third layer 530 so that the Beam guide at the second layer 520 or at a remaining part of the third layer of the SOI substrate 500 is arranged.
  • FIG. 20 shows a schematic side view of a multiplicity of devices for absorbing electromagnetic radiation, which are arranged on a common substrate, with the carrier layer removed, according to exemplary embodiments of the present invention.
  • the removal of the carrier layer 510 can decisively shorten the light path through the substrate in the case of backlighting, for example. As a result, residual absorption in the substrate and possible crosstalk between different conical structures can be minimized.
  • methods according to exemplary embodiments of the present invention can also include the provision of a carrier layer 510; and arranging an insulator layer 520 on the support layer; and arranging the semiconductor material 530s on the insulator layer and at least partially removing the support layer after arranging the beam guiding device 540.
  • methods according to embodiments of the present invention may further comprise arranging a plurality of beam guides 540 on the main side of the substrate and arranging the metal material on the second sections of the beam guides (not shown), on a side of the second sections remote from the substrate; wherein the arrangement of the plurality of beam guides comprises a partial removal of the semiconductor material in an area 550 between at least two adjacent beam guides and an arrangement of a common contact (not shown) of the at least two adjacent beam guides in the area 550 of the partially removed semiconductor material.
  • the SOI substrate 500 can form the substrate of the device according to the invention.
  • a substrate according to the invention can be formed by an SOI substrate.
  • the layer 510 can only be thinned and not completely removed.
  • the substrate of the device can also be formed only by the insulator layer 520 of the SOI arrangement 500, for example if the beam guide devices are etched out of layer 530 down to the insulator layer 520.
  • layer 510 can also be completely removed, so that the substrate underneath the beam guide devices is only formed by layer 520.
  • a combination of the layers and a combination of partially removed layers of the SOI substrate are also possible as the substrate for the beam guiding devices.
  • the system can also be mechanically stabilized when the carrier layer 510 is completely removed by coating the, for example, fully processed devices, for example designed as diodes, on the front side with different materials of different thicknesses.
  • the device can be coated with one or more materials of different thickness from the side of the beam guiding devices 540 (for example with metal material already applied, for example in the form of a metallization).
  • the layer 520 for example in the form of a SiC>2 layer, is very thin and therefore does not have sufficient mechanical rigidity or stability.
  • a thin or even very thin SiC>2 layer for example as an insulator layer 520, cannot have a sufficiently high mechanical rigidity so that, for example, further coatings can be applied for stabilization.
  • additional stabilizing coatings is also possible when the carrier layer 510 is partially removed, or for example in applications with high demands on the mechanical rigidity when the carrier layer 510 is not removed.
  • Fig. 21 shows a method for absorbing electromagnetic radiation according to embodiments of the present invention.
  • Fig. 21 shows method 2100 comprising irradiating 2110 a rear side of the substrate opposite a main side of a substrate with the electromagnetic radiation, wherein the substrate is transparent to the electromagnetic radiation, so that the electromagnetic radiation penetrates into a beam guiding device arranged on the main side of the substrate.
  • the beam guiding device comprises a semiconductor material and wherein the semiconductor material is transparent to the electromagnetic radiation
  • the beam guiding device comprises a first and a second section, the first section facing the substrate and being arranged between the substrate and the second section, and wherein a cross-sectional area of the beam guiding device parallel to the main side of the substrate decreases more in the second section than in the first section as the distance from the main side increases.
  • the method further includes a step 2120 comprising transmitting the electromagnetic radiation through the first and second area of the beam guide unit direction, or a reflection of the electromagnetic radiation on a side wall structure of the first and/or second section of the beam guiding device.
  • the method comprises absorbing 2130 the electromagnetic radiation at a Schottky junction, the Schottky junction being provided by a metal material together with the second section, the metal material on the second section of the beam guiding device, on a side of the substrate remote from the second section, is arranged.
  • the method 2200 includes providing 2210 a substrate having a main side, the substrate being transparent to the electromagnetic radiation and arranging 2220 a beam guide on the main side of the substrate, the beam guide comprising a semiconductor material and the semiconductor material being transparent to the electromagnetic radiation , and wherein the beam guide comprises a first and a second section, wherein the first section faces the substrate and is arranged between the substrate and the second section, and wherein a cross-sectional area of the beam guide parallel to the main side of the substrate increases with increasing distance from the main side in the second Section reduced more than the first section.
  • the method comprises arranging 2230 a metal material on the second section of the beam guiding device, on a side of the second section facing away from the substrate, wherein the metal material with the second section provides a Schottky junction set up for the absorption of the electromagnetic radiation.
  • Step 2220 may further optionally include a dry chemical and/or a wet chemical etching process.
  • step 2220 may further include placing a semiconductor material on the substrate; and etching the semiconductor material with a dry-chemical etching method in two directly consecutive process steps using at least two configurations.
  • the etching of the semiconductor material can include etching the semiconductor material in a first process step using the dry-chemical etching method with a first parameterization to produce the first section of the beam guiding device, and etching the semiconductor material in a directly subsequent second process step using the dry-chemical etching method with a second parameterization for producing the second section of the jet guide.
  • the first and second parameterization of the dry chemical etching process can be selected so that a cross-sectional area of the Beam guide parallel to the main side of the substrate with increasing distance to the main side in the second section more reduced than in the first section.
  • the great advantage, for example, of exemplary embodiments according to the present invention compared to the prior art consists, for example, in the use of silicon as a semiconductor, since this allows the enormous economic advantages of silicon technology to be used.
  • the solution according to the invention is not based on the usual pin diode (this is largely insensitive to silicon in the NIR), but on the principle of internal photoemission at a Schottky junction between the silicon and a metal material.
  • Diode for detecting electromagnetic radiation comprising or consisting of
  • An electrically conductive layer which at least partially covers the conical structure, a Schottky barrier re forming between the electrically conductive layer and the semiconductor substrate in the conical structure, and wherein when the conical structure is irradiated with electromagnetic radiation, electrical charge carriers from the electrically conductive layer are emitted into the conical structure of the semiconductor substrate and these charge carriers are measurable as a photocurrent.
  • a first contact located outside of the conical structure for making electrical contact with the semiconductor substrate
  • Diode according to the preceding exemplary embodiments in which the conical structure is bounded by a finite number of connected curved sections in a cross-sectional area parallel to the front side of the semiconductor substrate.
  • Diode according to exemplary embodiments 3 and 4 in which the conical structure is bounded by a finite number of connected curved sections in a cross-sectional area perpendicular to the front side of the semiconductor substrate.
  • Diode according to exemplary embodiment 5 with a boundary of the conical structure consisting of 4 or 5 curved sections, whereby the conical structure is divided into a lower area and an upper area, with the lower area directly adjoining the semiconductor substrate and a flank angle between a T annte des associated curve piece and a surface normal of the front side is smaller than a flank angle between a tangent of the curve piece of the upper area and a surface normal of the front side.
  • Diode according to the preceding exemplary embodiments the conical structure being produced by structuring the front side of the semiconductor substrate.
  • the electrically conductive layer which at least partially covers the conical structure consists of a metal or a silicide or a germanide or a metallic nitride.
  • Diode according to the preceding exemplary embodiments wherein at least part of the electromagnetic radiation is bundled in the conical structure.
  • Diode according to the preceding exemplary embodiments plasmonic effects occurring in the electrically conductive layer in a region of the tip of the conical structure and increasing the sensitivity of the diode.
  • Diode according to the previous exemplary embodiments consisting of several conical structures.
  • the conical structure being irradiated from a rear side of the semiconductor substrate.
  • aspects have been described in the context of a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also constitute a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
  • Some or all of the method steps may be performed by hardware apparatus (or using hardware ware-apparatus), such as a microprocessor, a programmable computer or an electronic circuit. In some embodiments, some or more of the essential process steps can be performed by such an apparatus.
  • JACEK GOSCINIAK “WAVEGUIDE INTEGRATED PLASMONIC SCHOTTKY PHOTODETECTOR,” US2020/0144437A1. United States 161539.029, May 7, 2020.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Absorption und Detektion von elektromagnetischer Strahlung umfassend ein Substrat (1, 110, 1101, 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) mit einer Hauptseite (112), wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist; und eine an der Hauptseite des Substrats angeordnete Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720), wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist. Die Strahlleiteinrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt (20, 122, 222, 322) dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) angeordnet ist. Ferner verringert sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker als im ersten Abschnitt. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung ein Metallmaterial (25, 130, 230, 330, 430), wobei das Metallmaterial an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer, dem Substrat abgewandten, Seite des zweiten Abschnitts, angeordnet ist, und wobei das Metallmaterial mit dem zweiten Abschnitt einen für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung eingerichteten Schottky-Übergang (140) bereitstellt.

Description

VORRICHTUNG ZUR ABSORPTION UND DETEKTION VON ELEKTROMAGNETISCHER STRAHLUNG UND HERSTELLUNGSVERFAHREN DAFÜR, SOWIE SYSTEM MIT EINER VIELZAHL VON SOLCHEN VORRICHTUNGEN
Beschreibung
Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen Vorrichtungen, Verfahren und Systeme zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, sowie Verfahren zur Herstellung von Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf Fotodioden mit konischen Strukturelementen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen konische Fotodioden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liegen auf dem Gebiet der Halbleiterbauelemente, speziell im Bereich der Fotodioden.
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Fotodioden zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen größer als ca. 1000 nm.
Hintergrund der Erfindung
Im Folgenden werden, unter anderem, Problemstellungen bzw. Probleme, welche mit Ausführungsbeispielen der Erfindung adressiert werden können, erläutert.
Mit Fotodioden kann elektromagnetische Strahlung detektiert werden. Die Strahlung wird im Bauelement in einen elektrisch messbaren Fotostrom umgewandelt. Die Empfindlichkeit einer Fotodiode ist dabei u.a. von der Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung abhängig. Neben der Art des verwendeten Halbleitermaterials, z.B. Silizium oder Galliumarsenid (GaAs), bestimmt auch die Bauart die Leistungsfähigkeit einer Fotodiode (z.B. pin-Dioden oder Schottky-Dioden). Die gemeinsame Eigenschaft aller Fotodioden ist jedoch die Anregung elektrischer Ladungsträger im Halbleiter, die als Fotostrom messbar sind. Der von einer Fotodiode detektierbare Wellenlängenbereich elektromagnetischer Strahlung ist wesentlich durch das Halbleitermaterial bestimmt. Mit Siliziumdioden kann Strahlung im Sichtbaren und unmittelbar angrenzenden Infraroten bis zu einer Grenzwellenlänge von ca. 1100 nm erfasst werden. Darüber hinaus wird bis zu einer Grenzwellenlänge von 1700 nm Germanium bzw. Standard Indium-Galliumarsenid (InGaAs) als Detektormaterial verwendet. Mit InGaAs Legierungen mit hohem Indium-Anteil kann der Wellenlängenbereich bis 2500 nm ausgedehnt werden.
Der Bereich zwischen 1000 nm und 2500 nm ist für unterschiedliche Anwendungen sehr wichtig. So werden in der Telekommunikation Wellenlängen um 1300 nm bzw. 1550 nm verwendet. Im so genannten nahinfraroten Spektral bereich (NIR) zwischen 1000 nm und 2500 nm liegen Absorptionsbanden einiger wichtiger Moleküle, die eine große Bedeutung für die Spektralanalytik haben. Auch im Bereich der Feldüberwachung mit Lasern finden sich wichtige Anwendungen in diesem Spektralbereich.
Wie oben ausgeführt, kann Silizium in einer konventionell ausgeführten Diodenbauform aufgrund fehlender Empfindlichkeit im NIR nicht verwendet werden. Das stattdessen eingesetzte Halbleitermaterial InGaAs ist zwar ein physikalisch-technisch hervorragendes Detektormaterial hoher Empfindlichkeit, hat aber daneben auch erhebliche Nachteile (siehe Abschnitt „Stand der Technik“).
Anders ausgedrückt ist elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich oberhalb einer Wellenlänge von 1 ,1 pm für Photodetektoren in Silizium, die auf dem Prinzip der Fundamentalabsorption arbeiten nicht effizient zu detektieren. Photodetektoren für diesen Wellenlängenbereich in kompatibler Technologie verwenden daher das Prinzip der internen Photoemission. Hierbei erzeugt einfallende Strahlung Ladungsträger an einem gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Übergang. Derartige Detektoren weisen allerdings Nachteile hinsichtlich der generierten Dunkelströme auf, außerdem stellt der Übergang in der planaren Ausführung des Bauelements für die einfallende Strahlung einen Spiegel dar. Während sich die erste Eigenschaft nachteilig durch verstärktes Rauschen derartiger Bauelement bemerkbar macht, wird durch die zweite Eigenschaft die Signalstärke im Bauelement reduziert, da einfallende Strahlung reflektiert und somit nicht absorbiert wird. Die erste Eigenschaft wird durch Im Perfektionen entlang des Metall-Halbleiter-Übergangs hervorgerufen und skaliert mit der Fläche, die zweite Eigenschaft (Reflexionen) lässt sich durch geeignete Strukturen reduzieren. Es ergibt sich hierbei eine gegenläufige Abhängigkeit, da stärker streuende (raue) Oberflächen mit vergrößerter metallisierter Fläche einhergehen. Zur näheren Erläuterung wird im Folgenden auf Fotodioden unterschiedlicher Bauart aus dem Stand der Technik eingegangen.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind Fotodioden unterschiedlicher Bauart bekannt und die zugrunde liegenden Mechanismen der Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung in elektrische Ladungsträger in einem Halbleiter sehr gut verstanden. Im Folgenden wird insbesondere auf bekannte Bauelemente zur Detektion von Strahlung mit Wellenlängen größer als ca. 1000 nm, mit den in diesem Wellenlängenbereich vorherrschenden Besonderheiten, eingegangen. Im Stand der Technik kann zwischen drei großen Gruppen bekannter Bauelementkonzepte unterschieden werden.
Die p-i-n Diode, oder kurz pin Diode ist die meist verwendete Bauart. Dabei handelt es sich um eine Schichtabfolge dotierter und nicht dotierter Bereiche im Halbleiter. Dabei bezeichnen die Buchstaben die Art der Dotierung, also die Art der Majoritätsladungsträger in der entsprechenden Schicht, p für Löcher, n für Elektronen, i für intrinsisch, d.h. ohne Dotierung. Die Umwandlung von Strahlung in einen messbaren Fotostrom erfolgt in einer solchen Diode durch den sogenannten Fotoeffekt. Dabei wird ein Photon im Halbleiter, hier speziell in der intrinsischen Schicht, absorbiert und ein Elektron aus dem Valenz- in das Leitungsband angeregt. Zusammen mit der entstandenen Fehlstelle im Valenzband bildet sich so ein Ladungsträgerpaar, dass im internen elektrischen Feld zwischen den Schichten getrennt wird und als Fotostrom detektierbar ist. Dieses Grundprinzip wird für die gängigen Halbleiter Silizium, Germanium und verschiedene Legierungen im Bereich der Verbindungshalbleiter der Hauptgruppen III und V im Periodensystem der Elemente, sogenannte lll/V Halbleiter, verwendet. Gelegentlich werden auch Legierungen der Hauptgruppen II und VI, sogenannte ll/VI Halbleiter, z.B. Quecksilber-Cadmium-Tellurid (HgCdTe), verwendet. Für das NIR ist insbesondere InGaAs als bevorzugtes Halbleitermaterial zu nennen.
Die so beschriebene Funktionsweise ist jedoch nur bis zu einer bestimmten Grenzwellenlänge der zu detektierenden Strahlung, bzw. der damit verbundenen Energie der zugehörigen Photonen gewährleistet. Für Wellenlängen oberhalb dieser Grenze und entsprechend Photonenenergien unterhalb dieser Grenze können im Prinzip keine Elektronen mehr angeregt werden. Die Diode wird dadurch in diesem Wellenlängenbereich unempfindlich. Die Grenzenergie ist dabei eine Eigenschaft des verwendeten Halbleiters (die sogenannte Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband). Für Elementhalbleiter wie Silizium ist die Bandlücke vorgegeben, bei den Verbindungshalbleitern kann sie in gewissen Grenzen durch Veränderung der Legierungsanteile der beteiligten Elemente eingestellt werden. Für Silizium liegt diese Grenze bei ca. 1100 nm, bei Germanium bei ca. 1700 nm.
Aus o.g. Gründen können pin-Dioden, die den Bereich von 1000 nm bis 2500 nm abdecken, nur mit Verbindungshalbleitern realisiert werden. Das wichtigste Halbleitermaterial ist in diesem Bereich InGaAs mit verschiedenen Legierungen unterschiedlichen Indium-Anteils. InGaAs pin-Dioden zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit aus und sind in vielen unterschiedlichen Ausführungsformen kommerziell erhältlich. Die großen Nachteile dieses Materialsystems bestehen in der Nicht-Kompatibilität zur Siliziumtechnologie. Daraus resultieren relativ hohe Kosten sowohl für die Herstellung des Halbleitermaterials selbst als auch für die Prozesstechnik zur Realisierung von Bauelementen. Weiterhin ist in Verbindung mit integrierten Schaltkreisen, die i.d.R. in Siliziumtechnologie hergestellt werden, nur eine hybride Integration möglich. Das wirkt sich ebenfalls sehr negativ auf die Kostenstruktur aus. Hierdurch können viele mögliche Anwendungen, insbesondere im bildgebenden Bereich mit Diodenarrays, derzeit nicht ökonomisch sinnvoll bedient bzw. erschlossen werden.
Ein weiterer Nachteil besteht in der Verwendung des Schwermetalls Arsen in den InGaAs Legierungen. Da in Zukunft Fragen der Nachhaltigkeit eine große Rolle spielen werden, hat eine Siliziumtechnologie hier klare Vorteile.
Fotowiderstände bilden die zweite Gruppe von Fotodetektoren im NIR. Diese Bauelemente ändern unter Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung ihren Widerstand. Basierend auf dieser Eigenschaft kann ebenfalls ein Fotostrom gemessen werden. Bei diesen Bauelementen handelt es sich zwar nicht um Dioden und sie fallen deshalb genau genommen nicht unmittelbar unter den Stand der Technik, jedoch bilden sie eine wichtige Gruppe von Fotodetektoren im NIR. Als Material werden häufig die Halbleiter Bleiselenid und Bleisulfid verwendet. Auch von diesen Fotodetektoren sind unterschiedliche Bauformen, z. B. Einzelelemente und Zeilenanordnungen, kommerziell erhältlich. Die Nachteile dieser Technologie sind ähnlich wie bei den lll/V Halbleitern. Sie ist nicht kompatibel zur Siliziumtechnologie und enthält mit Blei ein Schwermetall. Daneben ergeben sich auch technische Nachteile. Fotowiderstände sind vergleichsweise langsam und degradieren u.U. bei unbeabsichtigter Bestrahlung mit UV-Licht. Hierdurch können viele mögliche Anwendungen, insbesondere im bildgebenden Bereich mit Detektorarrays, derzeit nicht ökonomisch sinnvoll bedient bzw. erschlossen werden. Die dritte Gruppe von Fotodetektoren im NIR bilden Bauelemente, die auf dem Mechanismus der internen Fotoemission basieren. An der Grenzfläche zwischen einem Halbleiter und einem Metall kann sich, je nach Materialpaarung, eine Potentialbarriere ausbilden (Schottky-Übergang). Eine solche Grenzfläche verhält sich elektrisch wie eine Diode, bei der Stromfluss über die Grenzfläche hinweg nur für eine Polarität stattfindet. Derartige Bauelemente werden als Schottky-Dioden bezeichnet. Fällt elektromagnetische Strahlung auf die Metallschicht an der Grenzfläche, so kann ein Elektron (oder Loch, je nach Dotierung des Halbleiters) aus dem Metall herausgelöst werden und in den angrenzenden Halbleiter übergehen. Diese Ladungsträger sind dann wiederum als Fotostrom messbar, siehe Fig 7. Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht eines Schottky- Übergangs zwischen einem Metall und einem Halbleiter im Bändermodell. Wie in Fig. 7 gezeigt kann der Halbleiter bspw. n dotiert sein oder stark n dotiert sein (n+). Durch die Kontaktfläche des Halbleiters mit dem Metall kommt es zu einer Verschiebung von Valenzband (Ev) und Leitungsband (Ec) im Halbleiter im Bereich des Übergangs. Das Ferminiveau ist mit EF gekennzeichnet. Durch ein eintreffendes Photon der Energie hv kann ein Elektron e aus dem Metall die Potentialbarriere EB überwinden und zu einem Photostrom beitragen. Das zurückbleibende Loch ist mit h gekennzeichnet.
Im Stand der Technik sind planare Ausführungsvarianten von Schottky-Dioden bekannt. In Fig. 5 ist schematisch eine vereinfachte Schottky- Diode in Planartechnologie dargestellt. Auf einem Siliziumsubstrat 1 ist eine Metallschicht 2 aufgebracht, an dessen Grenzfläche zum Substrat 1 der Schottky-Übergang (bzw. die Schottky-Barriere) entsteht. Neben der Metallschicht 2 ist ein (ohmscher) Kontakt 3 zur elektrischen Kontaktierung des Substrats 1 aufgebracht. Der Kontakt ist vereinfacht dargestellt. Er kann aus mehreren Schichten und Implantationsbereichen im Substrat bestehen. Das Substrat 1 kann z.B. n dotiert sein. Die Metallschicht 2 ist mit einer elektrischen Kontaktierung 2a versehen, der ohmsche Kontakt 3 mit der Kontaktierung 3a. Bei entsprechender Polarität kann ein Strom über die Kontaktierungen 2a und 3a durch die Diode fließen.
Die Diode aus Fig. 5 kann unter Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung u.U. als Fotodiode, so wie schematisch in Fig. 6 dargestellt, verwendet werden. Die Beleuchtung findet sinnvoll von der Rückseite des Bauelements durch das Substrat hindurch statt, da die Strahlung auf der Vorderseite von dem Metall 2 nur reflektiert würde und so die Grenzschicht zwischen Metall 2 und Halbleitersubstrat 1 nicht erreichen würde. Da die Diode in einem Wellenlängenbereich oberhalb der Grenzwellenlänge des Halbleiters betrieben wird, ist das Halbleitersubstrat 1 für diesen Wellenlängenbereich transparent. Die Strahlung 6 trifft nach Transmission des Substrats 1 auf die Metallschicht 2. Dort kann z.B. ein Elektron 4 aus dem Metall 2 in das Substrat 1 über die Schottky-Barriere hinweg befördert werden. Werden auf diese Weise genügend Ladungsträger „erzeugt“, können diese als Fotostrom 7 über die Kontaktierungen 2a und 3a gemessen nachgewiesen werden.
Der große Nachteil der oben beschriebenen Verwendung planarer Schottky-Dioden als Fotodiode besteht in der sehr geringen Empfindlichkeit. Das Herauslösen von Ladungsträgern aus dem Metall 2 erfolgt nur in einer sehr dünnen Grenzschicht des Metalls, da die Ladungsträger sonst durch Streuvorgänge im Metall ihre Energie verlieren bevor sie die Schottky-Barriere erreichen. Weiterhin ist die Wahrscheinlichkeit für das Herauslösen, das mit einer energetischen Anregung des Ladungsträgers im Metall 2 einhergeht, generell gering. Der größte Teil der Strahlung wird von der als Spiegel wirkenden planaren Metallschicht 2 reflektiert und geht so verloren. Deshalb haben einfache planare Schottky-Dioden als Fotodiode keine Anwendung gefunden.
Im Stand der Wissenschaft sind einige Ansätze für eine Steigerung der Empfindlichkeit für Schotty-Fotodioden untersucht worden. Zum einen kann die planare Metallschicht 2 in einen optischen Resonator integriert werden. Hierfür wird im einfachsten Fall auf der Rückseite des Substrats 1 eine dielektrischer Spiegelschicht, die auf eine Wellenlänge abgestimmt ist, aufgebracht. Zusammen mit der Metallschicht 2 ergibt sich ein Resonator, der durch Vielfachreflexion im Resonator die Reflexionsverluste der Metallschicht reduziert. Es sind unterschiedliche Ausführungsvarianten dieses Prinzips untersucht worden [1], Die dadurch erzielte moderate Verbesserung der Empfindlichkeit wird jedoch in diesem Ansatz durch zwei erhebliche Nachteile deutlich eingeschränkt. Der optische Resonator ist in seiner Güte stark von der Wellenlänge der Strahlung abhängig. Dadurch ist der Wellenlängenbereich für den die Empfindlichkeit gesteigert werden kann, für viele Anwendungen zu klein. Weiterhin ergibt sich für eine derartige Ausführungsform eine starke Abhängigkeit vom Einfallswinkel der Strahlung. Auch das ist für viele Anwendungen nachteilhaft.
Anders ausgedrückt sind aus der Wissenschaft und aus der Anwendung insbesondere Optimierungsmethoden bekannt, die darauf abzielen, die Effizienz derartiger Bauelementansätze zu erhöhen indem die einfallende Strahlung bspw. zu einem großen Teil oder sogar vollständig absorbiert wird. Dies kann durch eine strukturierte Oberfläche innerhalb des Detektors realisiert werden [2, 4], die Realisierung von Schichtstapeln, welche optimierte Spie- geleigenschaften besitzen [5, 6] oder die Verwendung von plasmonischen Strukturen, wobei diese auch in Kombination mit strukturierten Oberflächen eingesetzt werden [7-9], Eine besondere Form einer plasmonischen Struktur, die zur Absorption von einfallender Strahlung verwendet werden kann, sind sog. „plasmonic perfect absorber“ [10], Hierbei sind plas- monisch aktive Strukturen vor einer durchgehenden Metallisierung derart angeordnet, dass sich für spezifische Frequenzen eine nahezu vollständige Absorption der einfallenden Strahlung innerhalb der plasmonischen Struktur ergibt. Dieses Verhalten basiert auf der Anregung der Nanostrukturen in ihrer Eigenfrequenz. Im Stand der Technik sind nun derartige Strukturen bisher nur im Sinne der reinen Absorption der einfallenden Strahlung beschrieben. Vollständige Bauelemente in Verbindung mit interner Photoemission als Mechanismus zur Generierung eines Phototroms sind dagegen bisher nicht beschrieben. Die aus dem Stand der Technik bekannten Absorberstrukturen setzen die absorpierte Strahlung in Wärme um (Energieerhaltung).
Ein weiterer Ansatz ist die Abkehr von der planaren Bauart mit dem Ziel eine Lichtbündelung durch geeignete Strukturen im Silizium zu erreichen und damit die optische Strahlungsleistung am Schottky-Übergang (und damit die Empfindlichkeit) zu steigern. Im Stand von Wissenschaft und Technik werden hierzu konkret Pyramidal- bzw. V-Grabenstrukturen im Siliziumsubstrat beschrieben [2], [3], In Fig. 8 ist schematisch eine solche Pyramidalstruktur 10 in einem Siliziumsubstrat 1 in Seitenansicht gezeigt. Die Pyramiden (erfolgt die Strukturierung nur in eine Richtung, dann entstehen V-Gräben oder Stege) werden mit einem anisotropen nasschemischen Ätzverfahren, z.B. Ätzen mit TMAH, hergestellt. Dadurch ergeben sich sehr saubere, gut definierte Flächen. Das Metall 11 für den Schottky-Übergang wird dabei vorteilhaft nur im Bereich der Pyramidenspitze aufgebracht. Bei einer Beleuchtung von der Rückseite wird die Strahlung an den Seitenflächen der Pyramide reflektiert und zur Spitze gelenkt. Wichtig ist dabei nun, dass die Flankenwinkel der Pyramiden kristallografisch festgelegt und somit nicht frei wählbar sind. Runde Strukturen oder solche mit einem vielzähligen Grundquerschnitt können mit diesem Verfahren aufgrund der vordefinierten Kristallebenen nicht hergestellt werden.
Eine genaue Betrachtung zeigt jedoch, dass die lichtsammelnde Eigenschaft der in der Literatur beschriebenen nasschemisch hergestellten Strukturen nur einen sehr begrenzten Effekt auf die Steigerung der Empfindlichkeit hat. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 9 schematisch dargestellt. Die Figur zeigt den Querschnitt einer Pyramidalstruktur 10 und einen Ausschnitt aus dem Siliziumsubstrat 1 aus dem die Struktur durch Ätzen entstanden ist. Der Flankenwinkel a 12, den die Kristallfacette mit der Normalen 13 zur Substratvorderseite bildet, beträgt für die nasschemisch geätzten Strukturen 35,3°, und ist, wie oben beschrieben, prozesstechnisch unveränderlich. Die Spitze der Struktur ist mit einem Metall 15 bedeckt. Zwischen diesem Metall 15 und der Siliziumpyramide 10 bildet sich der Schottky- Übergang. Ein Fotostrom kann demnach nur im Bereich der Spitze entstehen. Je nach genauem Eintrittsort der Strahlung ergeben sich unterschiedliche Lichtpfade. Für die weitere Analyse kann auf das vereinfachte Lichtstrahlenmodell der Optik zurückgegriffen werden, selbst wenn im Bereich der Spitze Beugungseffekte auftreten.
In Fig. 9 sind exemplarisch drei unterschiedliche Lichtstrahlen eingezeichnet. Ein erster Strahl 16 tritt fast senkrecht zur Substratoberfläche ein, trifft die Pyramide 10 in etwa mittig und gelangt auf direktem Weg zur metallisierten Spitze 15. Ein zweiter Strahl 17 tritt ebenfalls fast senkrecht ein, trifft die Pyramide 10 jedoch an einer ihrer Facetten und wird dort ein erstes Mal reflektiert. Der so reflektierte Strahl trifft danach ebenfalls die metallisierte Spitze 15. Eine vollständige Reflexion des Strahls 17 findet jedoch nur unter der Bedingung statt, dass es sich um Totalreflexion handelt, da sich an dieser Stelle keine Metallisierung mehr befindet. Die Bedingung für eine Totalreflexion wird durch den Brechzahlsprung an der Facettengrenzfläche und den dortigen Einfallswinkel des Lichtstrahls bestimmt. Wird dieser Winkel zu klein, dann wird nur noch ein Teil der Strahlung reflektiert, ein anderer Teil wird gebrochen und verlässt die Pyramidalstruktur (und geht verloren). Auf diese Art kann im Prinzip durch Mehrfachreflexion an den gegenüber liegenden Facetten ein Strahl oder zumindest ein Teil der zugehörigen Lichtleistung die metallisierte Spitze 15 erreichen. Ungünstiger ist die Situation für den Fall, dass der lokale Einfallswinkel so klein wird, dass der reflektierte Teil des Strahl unter einem Winkel auf die gegenüberliegende Facette trifft, der eine Ausfallsrichtung des dort reflektierten Strahls aus der Pyramide 10 heraus in Richtung der Substratrückseite zeigt. In diesem Fall trifft die Strahlung gar nicht mehr auf die metallisierte Spitze 15. Diese Situation ist mit dem Strahl 18 und den beiden Teilstrahlen 18a und 18b dargestellt.
Je kleiner der Flankenwinkel a 12 (und damit je steiler die Pyramide) ist, desto mehr Reflexionen mit einem Strahlendpunkt in der Spitze 15 und/oder größere Einfallswinkel der Strahlung zur Substratnormalen sind möglich. Für die im Stand der Technik beschriebenen Strukturen ist der Flankenwinkel aber prozesstechnisch auf 35,3° festgelegt. Dieser Wert führt zu einer sehr großen Einschränkung des nutzbaren Verhältnisses von (projizierter) Metallisierungsbreite zu Basisbreite und/oder des nutzbaren Winkelspektrums der einfallen elektromagnetischen Strahlung, weil ein großer Teil der Strahlung durch ungewollte Retroreflexion verloren geht. Deshalb erweisen sich die im Stand der Technik dargestellten Lösungen als tatsächlich nicht geeignet eine große fokussierende Wirkung und damit Steigerung der Empfindlichkeit zu entfalten. Für eine sinnvolle Nutzung der Strukturen zur Fokussierung sollte oder bspw. muss der Flankenwinkel a 12 deutlich kleiner sein.
Weiterhin können in metallischen Nanostrukturen sogenannte plasmonische Effekte auftreten. Dabei werden die Elektronen im Metall durch elektromagnetische Strahlung zu kollektiven Bewegungen angeregt. In der metallisierten Spitze der oben beschriebenen Pyramidalstrukturen können derartige Effekte auftreten und zu einer Feldüberhöhung führen. Die Folge hiervon kann eine Erhöhung der Emissionswahrscheinlichkeit von Ladungsträgern aus dem Metall in den Halbleiter sein. Das führt dann zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit des Bauelements. Dieser Effekt allein reicht jedoch nicht aus, um Schottky-Fo- todioden für gängige Applikationen empfindlich genug zu machen.
Somit sind im Stand der Technik insgesamt keine Lösungen bekannt, die die Empfindlichkeit von Schottky-Fotodioden derart steigern, dass eine Applikationsrelevanz gegeben ist.
Daher ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines Konzepts für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, welche einen verbesserten Kompromiss zwischen einer Sensitivität (Empfindlichkeit) und einer Effektivität einer Strahlungsabsorption sowie einem Herstellungs- und Integrationsaufwand ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Ferner besteht eine weitere zugrundeliegende Aufgabe von Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Silizium-Fotodiode, die eine für die meisten Anwendungen ausreichende Empfindlichkeit im NIR aufweist und damit das Detektormaterial InGaAs (und ebenfalls noch eine Reihe anderer Materialien) ersetzen kann.
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Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen eine Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend ein Substrat mit einer Hauptseite, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist; und eine an der Hauptseite des Substrats angeordnete Strahlleiteinrichtung, wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist. Die Strahlleiteinrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist. Ferner verringert sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker als im ersten Abschnitt.
Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung ein Metallmaterial, wobei das Metallmaterial an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer, dem Substrat abgewandten, Seite des zweiten Abschnitts, angeordnet ist, und wobei das Metallmaterial mit dem zweiten Abschnitt einen für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung eingerichteten Schottky- Übergang bereitstellt.
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung beruhen auf der Kernidee mit Hilfe der Strahlleiteinrichtung, deren Querschnittsfläche sich mit steigendem Abstand zur Hauptseite des Substrats in dem zweiten, dem Substrat abgewandten, Abschnitt stärker verringert, als in dem ersten, dem Substrat zugewandten, Abschnitt, einfallende elektromagnetische Strahlung so durch die Strahlleiteinrichtung zu leiten, dass ein großer Teil der Strahlung in dem Schottky-Übergang absorbiert werden kann.
Dementsprechend weist die Strahlleiteinrichtung eine zweistufige Geometrie auf. Die Erfinder haben erkannt, dass diese zweitstufige Geometrie zu einer verbesserten Zuführung einfallender elektromagnetischer Strahlung in den Schottky-Übergang der Vorrichtung führen kann. Hierbei sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Strahlleiteinrichtung auch eine mehr-als-zweistufige Geometrie aufweisen kann.
Der erste Abschnitt der Strahlleiteinrichtung kann somit bspw. eine sich, bezüglich eines Abstandes von der Hauptseite des Substrates, nur geringfügig verjüngende Geometrie aufweisen. In anderen Worten kann der erste Abschnitt der Strahlleiteinrichtung steile (bezüglich der Hauptseite des Substrats) Seitenwandstrukturen aufweisen.
Der zweite Abschnitt der Strahlleiteinrichtung kann somit bspw. eine sich, bezüglich eines Abstandes von der Hauptseite des Substrates, stark verjüngende Geometrie aufweisen. In anderen Worten kann der zweite Abschnitt der Strahlleiteinrichtung flache (bezüglich der Hauptseite des Substrats) Seitenwandstrukturen aufweisen. Durch die erfindungsgemäße zweistufige Geometrie der Strahlleiteinrichtung sind zum einen, durch die sich schwächer verjüngende Geometrie des ersten Abschnitts, wie bereits zuvor motiviert, große Einfallswinkel der Strahlung zur Substratnormalen möglich, sodass ein großer Teil der einfallenden Strahlung zu dem Metallmaterial und damit dem Schottky- Übergang zwischen dem Metallmaterial und dem zweiten Abschnitt weitergeleitet werden kann, um absorbiert zu werden. Das heißt, dass nur ein geringer Teil der einfallenden Strahlung derart ungünstige Einfallswinkel aufweisen kann, sodass diese nicht zum Schottky- Übergang gelangen kann. Dadurch können selbst geringe Strahlungsmengen detektiert werden.
Die Erfinder haben dabei jedoch erkannt, dass die Nachteile einer steilen Geometrie einer Strahlleiteinrichtung, also bspw. wie zuvor erläutert eine ungünstiges Verhältnis einer Höhe (senkrecht zur Hauptseite des Substrats) zu einer Grundfläche (parallel zur Hauptseite des Substrats) der Strahlleiteinrichtung, durch die Zweiteilung der Geometrie der Strahlleiteinrichtung umgangen oder verringert werden können.
Durch den zweiten, bspw. flacheren, Abschnitt kann eine vertikale Höhe (senkrecht zur Substrathauptseite) der Strahlleitstruktur gering gehalten werden, was eine Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vereinfacht. Dadurch können die Vorteile einer steilen Basis, also bspw. des ersten Abschnitts, der Strahlleiteinrichtung mit kosteneffizienten und verbreiteten Halbleiter-Herstellungsverfahren verbunden werden. Dadurch kann bspw. ein gutes Verhältnis der Strahlleitstruktur von Höhe zur Grundfläche erzielt werden, sodass ein Großteil von in der Grundfläche einfallenden Strahlung bis zur Metallisierung geleitet werden kann.
Im Hinblick auf die zweistufige Geometrie sei darauf hingewiesen, dass das Merkmal, dass sich die Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker als im ersten Abschnitt verringert, auch so verstanden werden kann, dass sich die Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite, am Übergang zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt, im zweiten Abschnitt stärker verringert als im ersten Abschnitt.
Dementsprechend verringert sich eine Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts (und somit nicht zwingend die Querschnittsfläche an jeder beliebigen Stelle des zweiten Abschnitts betrachtet) gemäß Ausführungsbeispielen an zumindest einer Stelle stärker, als im ersten Abschnitt. Es gibt also zumindest eine Stelle im zweiten Abschnitt, z.B. bevorzugt am Übergang vom ersten zum zweiten Abschnitt, bei der die Querschnittsänderung (bezüglich des orthogonalen Abstands zur Substratoberfläche) im Vergleich zum ersten Abschnitt größer ist.
Das Merkmal kann dabei auch so verstanden werden, dass sich ein Querschnitt im zweiten Bereich stärker verringert als im ersten Bereich, sich also eine Geometrie der Strahl leitein- richtung vom ersten zum zweiten Abschnitt, bspw. mit einem abrupten Übergang, bspw. mit einem unstetigen Übergang (z.B. hinsichtlich einer Funktion, welche eine Außenform der Strahlleiteinrichtung im seitlichen Querschnitt (bspw. idealisiert) beschreibt), verjüngt.
Das heißt zum Beispiel, dass Ausführungsbeispiele Geometrien aufweisen können, bei denen im ersten Abschnitt Querschnittsflächenänderungen auftreten, die an einer bestimmten Stelle stärker sind (bezüglich eines vertikalen Abstands zur Substratoberfläche), als an einer bestimmten Stelle im zweiten Abschnitt.
So kann im zweiten Abschnitt eine relative Querschnittsänderung größer oder stärker sein als im ersten Abschnitt. Verglichen mit einer absoluten Änderung der Querschnittsfläche, gemessen bspw. in pm2 oder nm2 je Schrittweite des vertikalen Abstands zur Substratoberfläche, kann eine relative Veränderung als eine prozentuale Verringerung je Schrittweite des vertikalen Abstands zur Substratoberfläche ausgedrückt werden. Während bei innerhalb des ersten Abschnitts konstanter Neigung und innerhalb des zweiten Abschnitts konstanter, aber zum ersten Abschnitt unterschiedlicher, Neigung die absolute Veränderung der Querschnittsfläche bei steigendem Abstand sich innerhalb eines Abschnitts verändert, möglicherweise quadratisch verringert, kann eine relative Änderung konstant bleiben.
Ausgehend von einem gleichen „Start-Querschnitt“, der als beliebiger virtueller Startwert verstanden werden kann, etwa am Übergang zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt verringert sich also bspw. die Querschnittsfläche in dem zweiten Abschnitt stärker als in dem ersten Abschnitt.
Somit kann ein verbesserter Kompromiss zwischen einer Sensitivität und einer Effektivität einer Strahlungsabsorption sowie einem Herstellungs- und Integrationsaufwand ermöglicht werden. Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weist der erste Abschnitt der Strahlleiteinrichtung eine erste Seitenwandstruktur auf, welche ausgehend vom Substrat mit einem ersten Neigungswinkel gegenüber einer Oberflächennormalen der Hauptseite geneigt ist, sodass sich der erste Abschnitt ausgehend vom Substrat verjüngt, um die vom Substrat empfangene elektromagnetische Strahlung zu fokussieren. In anderen Worten kann die Strahlleiteinrichtung eine geneigte Seitenwand aufweisen, um einfallende elektromagnetische Strahlung in Richtung des Schottky-Übergangs zu leiten und/oder zu fokussieren. Dadurch kann die Absorptionseffizienz der Vorrichtung verbessert werden.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weist der zweite Abschnitt eine zweite Seitenwandstruktur auf, die ausgehend vom ersten Abschnitt mit einem zweiten Neigungswinkel gegenüber einer Oberflächennormalen der Hauptseite geneigt ist, wobei der zweite Neigungswinkel größer ist als der erste Neigungswinkel, sodass sich der zweite Abschnitt ausgehend vom ersten Abschnitt verjüngt. Einfach ausgedrückt können Seitenwände des ersten und zweiten Abschnitts unterschiedliche oder verschiedene Flankenwinkel aufweisen. Dadurch kann durch die Vorrichtung bspw. durch einen kleinen ersten Neigungswinkel der ersten Seitenwandstruktur des ersten Abschnitts ein Großteil der in die Strahlleiteinrichtung einfallende elektromagnetische Strahlung zum Schottky-Übergang weitergeleitet werden, und zugleich kann die Strahlleiteinrichtung ein vorteilhaftes Höhen zu Grundfläche Verhältnis aufweisen, womit die Vorrichtung fertigungstechnisch mit geringem Aufwand hergestellt werden kann.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist der zweite Abschnitt mit der zweiten Seitenwandstruktur dazu ausgebildet, um die vom Substrat empfangene elektromagnetische Strahlung zu fokussieren und/oder um eine Absorption der elektromagnetischen Strahlung im Schottky-Übergang mittels plasmonischer Effekte zu begünstigen. Der zweite Abschnitt kann wiederum einen so dimensionierten Neigungswinkel aufweisen, dass elektromagnetische Strahlung an einer Grenzfläche des zweiten Abschnitts zum Umgebung in Richtung der Metallisierung abgelenkt wird. Somit kann die Vorrichtung eine gute Absorptionseffektivität aufweisen.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beträgt der erste Neigungswinkel zumindest 1° und höchstens 25°, oder der erste Neigungswinkel beträgt weniger als 10°. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Neigungswinkel zumindest 10° und höchstens 90° betragen. Die Erfinder haben erkannt, dass innerhalb dieser Winkelbereiche eine effiziente Strahlablenkung zum Schottky-Übergang ermöglicht werden kann. Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist der erste Neigungswinkel ein Winkel zwischen einer Tangente der ersten Seitenwandstruktur und der Oberflächennormalen am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung. Alternativ oder zusätzlich ist der zweite Neigungswinkel ein Winkel zwischen einer Tangente der zweiten Seitenwandstruktur und der Oberflächennormalen am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung.
Alternativ ist der erste Neigungswinkel ein Winkel zwischen einer Sekante der ersten Seitenwandstruktur und der Oberflächennormalen, wobei die Sekante durch zwei vertikal, bezüglich der Hauptseite des Substrats, auf der ersten Seitenwandstruktur übereinanderliegende Punkte bestimmt ist, wobei ein erster der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen der ersten Seitenwandstruktur und der Hauptseite des Substrats liegt und wobei ein zweiter der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung liegt. Alternativ oder zusätzlich ist der zweite Neigungswinkel ein Winkel zwischen einer Sekante der zweiten Seitenwandstruktur und der Oberflächennormalen, wobei die Sekante durch zwei vertikal, bezüglich der Hauptseite des Substrats, auf der zweiten Seitenwandstruktur übereinanderliegende Punkte bestimmt ist, wobei ein erster der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung liegt und wobei ein zweiter der beiden Punkte einen Punkt des zweiten Abschnitts mit dem größten vertikalen Abstand zur Hauptseite des Substrats bildet.
In einfachen Worten können die Neigungswinkel Flankenwinkel am Übergang zwischen dem erstem/zweiten Abschnitt sein, oder gemittelte Flankenwinkel.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist der Schottky- Übergang auf einen Wellenlängenbereich angepasst und eine auf die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung projizierte Breite einer Grenzfläche zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung beträgt zumindest das 0,2-fache einer Wellenlänge des Wellenlängenbereichs und höchstens das 15-fache einer Wellenlänge des Wellenlängenbereichs, wobei die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung eine Schnittfläche der Strahlleiteinrichtung mit dem Substrat ist. Damit kann anwendungsspezifisch bzw. wellenlängenbereichsspezifisch eine vorteilhafte Geometrie der Strahlleiteinrichtung eingestellt werden, welche eine herstellungstechnisch vorteilhafte Höhe bei zugleich guten Absorptionseigenschaften aufweisen kann. Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist die erste und/oder die zweite Seitenwandstruktur gerade oder gekrümmt ausgebildet. Ausführungsbeispiele sind nicht auf eine bestimmte Form der Seitwandstrukturen eingeschränkt, sodass bspw. eine Herstellung von Vorrichtungen in hoher Stückzahl mit schnellen Ätzprozessen möglich ist, sodass bspw. keine hohen Anforderungen an die genaue Ausgestaltung der Seitenwandstrukturen erfüllt sein müssen.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weist der zweite Abschnitt der Strahlleiteinrichtung an einer, dem Substrat abgewandten, Seite eine Spitze o- der eine abgeflachte Spitze auf, wobei das Metallmaterial nur im Bereich dieser Spitze oder abgeflachten Spitze angeordnet ist. Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung sind nicht auf eine einzige Ausgestaltung des vom Substrat abgewandten Endes des zweiten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung eingeschränkt. Bspw. kann eine fertigungstechnisch vorteilhafte abgeflachte Spitze erzeugt werden, welche eine Herstellung mit geringen Kosten begünstigen kann, wobei die Vorrichtung dennoch gute Absorptionseigenschaften durch die Strahlleitung aufweisen kann.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist der Schottky- Übergang auf einen Wellenlängenbereich angepasst und der zweite Abschnitt weist eine abgeflachte Spitze auf, wobei ein abgeflachter Bereich der Spitze eine Breite parallel zur Hauptseite des Substrats aufweist, welche kleiner als eine kleinste Wellenlänge des Wellenlängenbereichs ist, oder welche der kleinsten Wellenlänge des Wellenlängenbereichs entspricht. Bspw. für praktische Anwendungen, oder anders ausgedrückt in der Praxis, kann der abgeflachte Bereich oder die Breite der Spitze typischerweise nicht viel kleiner als die kleinste Wellenlänge im Halbleiter (bspw. nicht viel kleiner als die kleinste Wellenlänge des Wellenlängenbereichs) ausgebildet sein. Damit können anwendungsspezifisch abhängig von den zu absorbierenden Wellenlängen gute Absorptionseigenschaften eingestellt werden.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist die Spitze oder die abgeflachte Spitze der Strahlleiteinrichtung dazu ausgebildet, plasmonische Effekte in dem, im Bereich der Spitze aufgebrachten, Metallmaterial hervorzurufen und/oder zu verstärken. Durch plasmonische Effekte kann die Absorption der elektromagnetischen Strahlung begünstigt werden. Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst das Halbleitersubstrat einen Schichtstapel; und/oder das Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung umfasst Silizium, Germanium und/oder eine Materialverbindung umfassend Silizium und/oder Germanium. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann preiswert und gut verfügbare Siliziumtechnologie zur Herstellung erfindungsgemäßer Vorrichtungen verwendet werden. Dabei kann durch die erfindungsgemäße verbesserte Absorptionseffizienz Silizium auch in Wellenlängenbereichen (bspw. NIR) eingesetzt werden, für welche Silizium bei konventionellen Ansätzen nur eine unzureichende Strahlungsabsorption aufweist.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst das Metallmaterial einen Schichtstapel und/oder das Metallmaterial umfasst ein Metall, ein Silizid und/oder ein metallisches Nitrid.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst das Metallmaterial zumindest eines aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Gold, Titan, Nickelsilizid, Cobaltsili- zid, Titansilizid und/oder Titannitrid.
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Verwendung einer Vielzahl von Metallmaterialien, sodass bspw. je nach zu detektierender Strahlung eine vorteilhafte Materialkombination von Strahlleiteinrichtung und Metallmaterial, bspw. Metallisierung verwendet werden kann.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weist das Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung eine Dotierung auf, wobei ein Dotiergrad der Dotierung hin zu dem Schottky-Übergang, konstant, gestuft oder graduell veränderlich ist. Je nach Herstellungsverfahren und konkreten Anwendungsgebiet kann ein vorteilhaftes Dotierprofil eingestellt sein.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weist die Strahlleiteinrichtung eine zumindest teilweise runde, elliptische oder vieleckige Grundfläche auf, wobei die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung die Schnittfläche der Strahlleiteinrichtung mit dem Substrat bildet. Die Grundfläche kann bspw. eine Form eines abgeflachten Halbkreises aufweisen. Je nach Herstellungsverfahren und/oder einer weiteren Integration mit einer Mehrzahl weiterer Vorrichtungen zur Strahlungsabsorption kann eine Vielzahl von Grundformen der Strahlleiteinrichtung verwendet werden, sodass bspw. eine verfügbare Substratfläche gut ausgenutzt werden kann.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weist die Strahlleiteinrichtung eine Höhe, vertikal zur Hauptseite des Substrats, von zumindest 0,5 pm und höchstens 25 pm auf. Die Erfinder haben erkannt, dass, durch die Zweiteilung der Geometrie der Strahlleiteinrichtung, Strahlleiteinrichtungen mit gut herstellbaren Höhenprofilen eingesetzt werden können, bei zugleich guten Absorptionseigenschaften.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von zumindest 1000 nm und höchstens 3000 nm oder von zumindest 1000 nm und höchstens 1700 nm ausgebildet. Beispielsweise kann die Vorrichtung zur Absorption von Strahlung in einem Wellenlängenbereich ausgebildet sein, der für Telekommunikationsanwendungen verwendet wird. Durch die verbesserten Strahlleiteigenschaften und damit Absorption können Materialkombination auch für Wellenlängenbereiche verwendet werden, für die diese bisher über keine ausreichend guten Absorptionseigenschaften verfügt haben, sodass erfindungsgemäße Vorrichtungen mit geringerem Zeit- und Integrationsaufwand, bspw. aufgrund der Verwendung etablierter Materialien wie Silizium, hergestellt werden können.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung eine erste und zweite elektrische Kontaktierung, wobei die erste Kontaktierung elektrisch leitfähig mit dem Metallmaterial verbunden ist; und wobei die zweite Kontaktierung elektrisch leitfähig mit dem Halbleitermaterial verbunden ist. Dabei sind die erste und zweite Kontaktierung dazu ausgebildet einen Fotostrom, basierend auf einer internen Photoemission, durch an dem Schottky- Übergang absorbierte elektromagnetische Strahlung, bereitzustellen. Durch die Kontaktierung kann der Fotostrom anderen Schaltungsteilen oder bspw. einer Auswertevorrichtung bereitgestellt werden.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind die erste und zweite Kontaktierung an einander gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung angeordnet. Alternativ sind die erste und zweite Kontaktierung auf einer gleichen Seite der Vorrichtung angeordnet. Einfach ausgedrückt können Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorder- oder eine Rückseitenkontaktierung aufweisen. Je nach weiterer Integration mit weiteren Elementen, kann eine vorteilhafte Bauform gewählt werden, sodass ein guter Kompromiss zwischen Herstellungs- und Integrationsaufwand erzielt werden kann.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen ein System zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen, wobei die Vorrichtungen in einem Raster angeordnet sind, und wobei die Substrate der Vielzahl von Vorrichtungen ein gemeinsames Substrat bilden. Erfindungsgemäß können somit Detektoren aus einer Vielzahl von zuvor beschriebenen Vorrichtungen aufgebaut sein, welche bspw. auch noch sehr geringe Mengen einfallender Strahlung absorbieren und detektieren können. Durch eine Einzelauswertung kann bspw. einen örtliche Lokalisation von Strahlung in den Schottky- Übergängen der einzelnen Vorrichtungen stattfinden. Bspw. kann das System Strukturen also bspw. die Vorrichtungen oder Strahlleiteinrichtungen als Multipixelanordnung für die Funktion als Bildsensor umfassen.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist das System ein Bildsensor. Somit können siliziumbasierte Bildsensoren mit geringen Kosten bei zugleich guter Verfügbarkeit und Effizienz bereitgestellt werden.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist die Vielzahl von Vorrichtungen in einem rechteckigen, quadratischen oder hexagonalen Raster angeordnet.. Somit können bspw. beliebige „freie“ Substratflächen mit erfindungsgemäßen Strahlungssensoren besetzt werden, sodass vorhandene Chipfläche gut ausgenutzt werden kann.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen die Metallmaterialien der Vielzahl von Vorrichtungen eine erste gemeinsame Kontaktierung auf und/oder das gemeinsame Substrat weist eine zweite gemeinsame Kontaktierung auf. Bspw. durch eine Anordnung in einem Raster können Kontaktierungen zusammengeführt werden, womit der Integrationsaufwand verringert werden kann.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele, welche Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen erläutert. Erfindungsgemäße Verfahren beruhen auf gleichen oder ähnlichen Überlegungen und Ideen wie erfindungsgemäße Vorrichtungen, sodass erfindungsgemäße Verfahren entsprechende Merkmale, Funktionalitäten und Vorteile von Vorrichtungen einzeln oder in Kombination aufweisen können. Umgekehrt können erfindungsgemäße Vorrichtungen auch entsprechende Merkmale, Funktionalitäten und Vorteile von Verfahren einzeln oder in Kombination aufweisen. Weitere Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen ein Verfahren zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend Bestrahlen einer, einer Hauptseite eines Substrats gegenüberliegenden, Rückseite des Substrats mit der elektromagnetischen Strahlung, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, sodass die elektromagnetische Strahlung in eine auf der Hauptseite des Substrats angeordnete Strahlleiteinrichtung eindringt, und wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist. Ferner umfasst die Strahlleiteinrichtung einen ersten und einen zweiten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, und eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats verjüngt sich darüber hinaus mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker als im ersten Abschnitt. Das Verfahren umfasst im Weiteren ein Transmittieren der elektromagnetischen Strahlung durch den ersten und zweiten Bereich der Strahlleiteinrichtung, oder Reflektieren der elektromagnetischen Strahlung an einer Seitenwandstruktur des ersten und/oder zweiten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung; und ein Absorbieren der elektromagnetischen Strahlung in einem Schottky-Übergang, wobei der Schottky-Übergang von einem Metallmaterial zusammen mit dem zweiten Abschnitt bereitgestellt wird und wobei das Metallmaterial an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Abschnitts, angeordnet ist.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend ein Bereitstellen eines Substrats mit einer Hauptseite, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, und ein Anordnen einer Strahlleiteinrichtung an der Hauptseite des Substrats, wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist. Dabei ist das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent, und die Strahlleiteinrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, und wobei sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker verringert als im ersten Abschnitt. Ferner umfasst das Verfahren ein Anordnen eines Metallmaterials an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Abschnitts, wobei das Metallmaterial mit dem zweiten Abschnitt einen für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung eingerichteten Schottky-Übergang bereitstellt.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst das Anordnen der Strahlleiteinrichtung ein trockenchemisches und/oder ein nasschemisches Ätzverfahren. Erfindungsgemäße Herstellungsverfahren können bspw. zur Herstellung gerader Seitenwandstrukturen Trockenätzverfahren umfassen. Ferner können je nach Anwendung bspw. zur Erzeugung gekrümmter Seitenwandstrukturen auch nasschemische Ätzverfahren verwendet werden. Generell sind Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf eine Form von Ätzverfahren beschränkt, was weitere Freiheitsgrad im Hinblick auf eine Integration in bestehende Fertigungsprozesse ermöglicht.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst das Anordnen der Strahlleiteinrichtung ferner ein Anordnen eines Halbleitermaterials auf dem Substrat; und ein Ätzen des Halbleitermaterials mit einem trockenchemischen Ätzverfahren in zwei direkt aufeinanderfolgenden Prozessschritten unter Verwendung von zumindest zwei Parametrierungen. Dabei umfasst das Ätzen des Halbleitermaterials ein Ätzen des Halbleitermaterials in einem ersten Prozessschritt mit dem trockenchemischen Ätzverfahren mit einer ersten Parametrierung zur Erzeugung des ersten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung, und ein Ätzen des Halbleitermaterials in einem direkt darauffolgenden zweiten Prozessschritt mit dem trockenchemischen Ätzverfahren mit einer zweiten Parametrierung zur Erzeugung des zweiten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung. Dabei sind die erste und zweite Parametrierung des trockenchemischen Ätzverfahrens so gewählt, dass sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker verringert als im ersten Abschnitt.
Somit kann die Strahlleiteinrichtung bspw. ohne Entnahme aus einer Ätzvorrichtung in zwei direkt aufeinanderfolgenden Ätzschritten gefertigt werden, womit zum einen eine Zeitersparnis erzielt werden kann und zum anderen keine erneute Einspannung in weitere Vorrichtungen zum erneuten Ätzen notwendig sind, sodass die Strahlleiteinrichtung mit guter Präzision erzeugt werden kann.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ferner ein Bereitstellen einer Trägerschicht; und ein Anordnen einer Isolatorschicht auf der Trägerschicht; und ein Anordnen des Halbleitermaterials auf der Isolatorschicht; und ein zumindest teilweises Entfernen der Trägerschicht nach dem Anordnen der Strahlleiteinrichtung. Die Trägerschicht kann bspw. ebenfalls ein Halbleitermaterial umfassen und der Vorrichtung mechanische Stabilität bei der Bearbeitung verleihen und nach der Bearbeitung zumindest teilweise wieder entfernt werden. Dementsprechend können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein silicon-on-insulator (Silizium auf Nichtleiter) (SOI) Substrat aufweisen.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ferner ein Anordnen einer Mehrzahl von Strahlleiteinrichtungen an der Hauptseite des Substrats und ein Anordnen des Metallmaterials an den zweiten Abschnitten der Strahlleiteinrichtungen, an einer dem Substrat abgewandten Seite der zweiten Abschnitte, wobei das Anordnen der Mehrzahl von Strahlleiteinrichtungen ein partielles Entfernen des Halbleitermaterials in einem Bereich zwischen zumindest zwei benachbarten Strahlleiteinrichtungen umfasst und Anordnen einer gemeinsamen Kontaktierung der zumindest zwei benachbarten Strahlleiteinrichtungen in dem Bereich des partiell entfernten Halbleitermaterials.
Anders ausgedrückt können benachbarte Strukturen sich gemeinsame elektrische Kontakte teilen. Ein gemeinsamer elektrischer Kontakt kann bspw. als metallischer Steg ausgebildet sein. Mit einer gemeinsamen Kontaktierung kann zum einen der Kontaktierungsaufwand verringert werden und zum anderen können so auch geringe Fotoströme einer Mehrzahl von Schottky-Übergangen zusammengeführt werden, sodass auch sehr geringe Strahlungseinfälle auf die jeweiligen Strahlleiteinrichtungen detektiert werden können.
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Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hinsichtlich der dargestellten schematischen Figuren wird darauf hingewiesen, dass die dargestellten Funktionsblöcke sowohl als Elemente oder Merkmale der offenbarungsgemäßen Vorrichtung als auch als entsprechende Verfahrensschritte des offenbarungsgemäßen Verfahrens zu verstehen sind, und auch entsprechende Verfahrensschritte des offenbarungsgemäßen Verfahrens davon abgeleitet werden können. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit abgeflachter Spitze und einem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung mit gekrümmter Seitenwandstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit abgeflachter Spitze und einem ersten und einem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung mit jeweils gekrümmten Seitenwandstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4a ein schematische Seitenansichte einer Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit Vorderseitenkontaktierung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4b zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit einer Rückseitenkontaktierung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer vereinfachten Schottky-Diode in Planartechnologie;
Fig. 6 eine schematische Seitenansicht der Schottky-Diode aus Fig. 5 bei Bestrahlung;
Fig. 7 eine schematische Ansicht eines Schottky- Übergangs zwischen einem Metall und einem Halbleiter im Bändermodell;
Fig. 8 eine schematische Seitenansicht einer Pyramidalstruktur in einem Siliziumsubstrat;
Fig. 9 einen schematischen Querschnitt einer Pyramidalstruktur und einen Ausschnitt aus einem Siliziumsubstrat aus dem die Struktur durch Ätzen entstanden ist, mit einer schematischen Darstellung eines Beispiels eines Strahlenganges;
Fig. 10 eine schematische Ansicht einer Pyramidalstruktur mit einer schematischen Darstellung eines Beispiels einer Auffaltung eines, durch nacheinander folgende Spiegelungen entstehenden, Strahlengangs in der Pyramidalstruktur; Fig. 11 eine schematische Seitenansicht eines Systems zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 eine schematische Seitenansicht einer Strahlleiteinrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13 eine schematische Seitenansicht einer konischen Fotodiode gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, mit einer schematischen Darstellung eines Beispiels eines Strahlenganges in der konischen Fotodiode;
Fig. 14 schematische Draufsichten von Strahlleiteinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 15 schematische Seitenansichten zweier Strahlleiteinrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
Fig. 16 eine schematische Draufsicht eines Systems zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit einer Vielzahl von Vorrichtungen mit quadratischer Grundfläche der Strahlleiteinrichtungen, welche in einem quadratischen Raster angeordnet sind;
Fig. 17 eine schematische Draufsicht eines Systems zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit einer Vielzahl von Vorrichtungen mit runder Grundfläche der Strahlleiteinrichtungen, welche in einem hexagonalen Raster angeordnet sind;
Fig. 18 eine schematische Seitenansicht eines SOI-Substrats gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 19 eine schematische Seitenansicht einer Vielzahl von Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, welche auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 20 eine schematische Seitenansicht einer Vielzahl von Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, welche auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, mit entfernter Trägerschicht, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; Fig. 21 ein Verfahren zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 22 ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Beispiele gemäß den Figuren
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 zeigt die Vorrichtung 100 umfassend ein Substrat 110 mit einer Hauptseite 112. An der Hauptseite 112 des Substrats 110 ist eine Strahlleiteinrichtung 120 angeordnet. Die Strahlleiteinrichtung weist einen ersten Abschnitt 122 und einen zweiten Abschnitt 124 auf, wobei der erste Abschnitt an der Hauptseite 112 des Substrats 110 angeordnet ist und wobei der zweite Abschnitt 124 an einer, dem Substrat 110 abgewandten, Seite des ersten Abschnitts 122 angeordnet ist. Die Querschnittsfläche (parallel zur Substrathauptseite 112) des zweiten Abschnitts 124 der Strahlleiteinrichtung 120 verringert sich dabei mit steigendem Abstand zur Hauptseite 112 stärker als die Querschnittsfläche (parallel zur Substrathauptseite 112) des ersten Abschnitts 122 der Strahlleiteinrichtung 120 mit steigendem Abstand zur Hauptseite 112.
Zur Verdeutlichung der Querschnittsveränderung ist in Fig. 1 für eine optionale Ausgestaltung als Strahlleiteinrichtung mit runder Querschnittsfläche das Koordinatensystem 150 eingezeichnet. Als Beispiel für eine runde erfindungsgemäße Querschnittsgeometrie verringert sich ein Radius n (und damit die zugehörige Querschnittsfläche Q) des ersten Abschnitts 122 der Strahlleiteinrichtung 120 mit steigendem Abstand A von der Hauptseite 112 des Substrats 110 geringfügiger als ein Radius r2 (und damit die zugehörige Querschnittsfläche Q) des zweiten Abschnitts 122 der Strahlleiteinrichtung 120 mit steigendem Abstand A von der Hauptseite 112 des Substrats 110. Ein Gradient dn/dA wäre also beispielsweise betragsmäßig kleiner als ein Gradient dr2/dA. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass das Beispiel einer runden Geometrie und die Betrachtung von Radien lediglich zur Veranschaulichung der Querschnittsänderung dienen. Erfindungsgemäße Vorrichtung können eine Vielzahl von Grundflächen und Geometrien aufweisen.
Weiterhin ist, an dem zweiten Abschnitt 124 der Strahlleiteinrichtung 120 an einer, dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Abschnitts 124, ein Metallmaterial 130 angeordnet.
Das Substrat 110 ist für einen Wellenlängenbereich einer zu absorbierender elektromagnetischer Strahlung zumindest näherungsweise oder zumindest teilweise transparent, sodass die Strahlung bei einer Beleuchtung der, der Hauptseite 112 gegenüberliegenden, Seite des Substrats 110, durch das Substrat zur Strahlleiteinrichtung 120 transmittiert werden kann.
Die Strahlleiteinrichtung 120 wiederum weist ein Halbleitermaterial auf, welches ebenfalls zumindest teilweise oder zumindest näherungsweise transparent für die zu absorbierende elektromagnetische Strahlung ist. Somit kann die, durch das Substrat 110 transmittierte, elektromagnetische Strahlung in die Strahlleiteinrichtung 120 transmittiert werden.
Durch die geringe Änderung der Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 122 der Strahlleiteinrichtung bezüglich des Abstands A von der Hauptseite 112, kann der erste Abschnitt 122 über eine steile Seitenwandstruktur gegenüber der Hauptseite 112 des Substrats verfügen. Dadurch kann der erste Abschnitt 122 der Strahlleiteinrichtung 120 eine fokussierende Wirkung für einfallende Strahlung für eine Vielzahl von Einfallswinkeln aufweisen. Die Einfallswinkel können hierbei bspw. gegenüber der Substratnormalen gemessen werden. Einfach ausgedrückt, kann durch einen steilen Anstieg der Außenoberfläche der Strahlleitstruktur 120 gegenüber der Hauptseite 112 des Substrats 110 ein Großteil der in die Strahlleitstruktur 120 transmittierten Strahlung in Richtung des Metallmaterials 130 transmittiert werden, sodass der Teil der einfallenden Strahlung, weicher einen lokalen Einfallswinkel zu einer Grenzfläche zwischen Strahlleitstruktur 120 und Umgebung aufweist, welcher zu einer Brechung aus der Strahlleitstruktur 120 heraus führen würde, gering gehalten werden kann. Wie bereits zuvor erläutert, ermöglicht die Ausgestaltung des zweiten Abschnitts 124 der Strahlleitstruktur 120 trotz der Nutzung der Vorteile des „steilen“ ersten Abschnitts 122, eine Höhenbegrenzung der Strahlleiteinrichtung, oder anders ausgedrückt können die Vorteile von guten Strahlleiteigenschaften mit den Vorteilen einer geringen Höhe der Strahlleiteinrichtung (Höhe bspw. in A-Richtung) synergetisch verbunden werden.
Ausgehend von dem ersten Abschnitt kann die eingefallene elektromagnetische Strahlung direkt zum Metallmaterial 130 geleitet werden, oder über erneute Reflexionen an einer Grenzfläche des zweiten Abschnitts 124 (oder auch über weitere Reflexionen im ersten Abschnitt).
Das Metallmaterial 130 ist dabei dazu ausgebildet mit dem zweiten Abschnitt 124, also bspw. mit dem Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung 120 des zweiten Abschnitts 124 einen Schottky-Übergang 140 zu bilden, sodass die zum Metallmaterial und damit zum Schottky- Übergang 140 geleitete elektromagnetische Strahlung absorbiert werden kann.
Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit abgeflachter Spitze und einem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung mit gekrümmter Seitenwandstruktur gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 200 umfasst ein Substrat 110 mit einer Hauptseite 112, sowie eine Strahlleiteinrichtung 220. Der erste Abschnitt 222 der Strahlleiteinrichtung 220 weist eine Seitenwandstruktur 221 auf, der zweite Abschnitt 224 der Strahlleiteinrichtung 220 weist eine Seitenwandstruktur 223 auf.
Wie optional in Fig. 2 gezeigt kann der zweite Abschnitt 224 der Strahlleiteinrichtung 220 eine an einer, dem Substrat abgewandten, Seite eine abgeflachte Spitze 240 aufweisen. Als weiteres optionales Merkmal ist das Metallmaterial 230 nur im Bereich dieser Spitze angeordnet. Dabei sei darauf hingewiesen, dass der zweite Abschnitt auch über eine nichtabgeflachte Spitze, wie bspw. in Fig. 1 gezeigt verfügen kann, und dementsprechend das Metallmaterial in einem Bereich um die Spitze angeordnet sein kann.
Wie zuvor erläutert ist das Metallmaterial dazu ausgebildet mit dem Halbleitermaterial des zweiten Abschnitts 224 einen Schottky-Übergang zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung zu bilden. Der Schottky-Übergang kann dabei auf einen Wellenlängenbereich angepasst sein, oder anders ausgedrückt, bspw. durch Materialwahl dazu ausgebildet sein Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich gut zu absorbieren. Dabei kann eine Breite Bs eines abgeflachten Bereichs der Spitze 240 eine Breite parallel zur Hauptseite 112 des Substrats aufweisen, welche kleiner als eine kleinste Wellenlänge des Wellenlängenbereichs ist, oder welche in der Größenordnung einer Wellenlänge im entsprechenden Wellenlängenbereich liegt. Damit kann die Absorption der elektromagnetischen Strahlung begünstigt werden, bspw. aufgrund einer Reduktion der Reflexionsanteile der elektromagnetischen Strahlung.
Ganz allgemein können Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von zumindest 1000 nm und höchstens 3000 nm oder von zumindest 1000 nm und höchstens 1700 nm ausgebildet sein.
Optional kann das Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung 220 eine Dotierung aufweisen, und ein Dotiergrad der Dotierung hin zu dem Schottky-Übergang kann konstant, gestuft oder graduell veränderlich ausgebildet sein.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Spitze 240 (oder auch eine nicht-abgeflachte Spitze) dazu ausgebildet sein plasmonische Effekte in dem, im Bereich der Spitze aufgebrachten Metall material 230 hervorzurufen und/oder zu verstärken. Damit kann wiederum eine Absorption der elektromagnetischen Strahlung begünstigt werden.
Wie optional in Fig. 2 gezeigt kann die Seitenwandstruktur 221 des ersten Abschnitts mit einem ersten Neigungswinkel a gegenüber einer Oberflächennormalen Na der Hauptseite geneigt sein, sodass sich die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 222 mit steigendem vertikalen Abstand zur Hauptseite 112 des Substrats verjüngt. Durch die sich, ausgehend vom Substrat, verjüngende Geometrie des ersten Abschnitts kann in den ersten Abschnitt transmittierte Strahlung fokussiert werden, bspw. in Richtung des Metallmaterials 230, welches an dem zweiten Abschnitt 224 der Strahlleiteinrichtung angeordnet ist.
Als weiteres optionales Merkmal kann die Seitenwandstruktur 223 des zweiten Abschnitts 224 ebenfalls gegenüber einer Oberflächennormalen Nß der Hauptseite geneigt sein. Der zugehörige Neigungswinkel beträgt ß. Gemäß Ausführungsbeispielen kann der zweite Neigungswinkel ß größer sein, als der erste Neigungswinkel a, sodass sich der zweite Abschnitt 224 ausgehend vom ersten Abschnitt 222 verjüngt, und damit eine stärkere Verringerung der Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts 224 mit zunehmendem vertikalen Abstand zur Hauptseite 112 im Vergleich zur Verringerung der Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 222 mit zunehmendem vertikalen Abstand zur Hauptseite 112 eingestellt werden kann.
Durch die sich stärker (als bspw. im ersten Abschnitt 222) verjüngende Geometrie des zweiten Abschnitts 224 kann durch die Neigung der Seitenwandstruktur einfallende elektromagnetische Strahlung fokussiert werden, bspw. in Richtung des Metallmaterials 230, sodass ein großer oder bspw. überwiegender Teil der eingefallenen Strahlung absorbiert werden kann. Ferner kann durch die Geometrie des zweiten Abschnitts eine Geometrie, bspw. eine laterale (in Bezug auf die Hauptseite 112) Ausdehnung, des Metallmaterials derart ausgebildet sein, dass plasmonische Effekte auftreten, welche eine Absorption eingefallener Strahlung, welche auf den durch das Metallmaterial 230 und das Halbleitermaterial des zweiten Abschnitts 224 gebildeten Schottky-Übergang begünstigen können.
Wie in Fig. 2 optional gezeigt kann der Neigungswinkel a bspw. ein Winkel zwischen einer Tangente Ta der ersten Seitenwandstruktur 221 und der Oberflächennormalen Na am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung 220 sein.
Dementsprechend, kann wie optional in Fig. 2 gezeigt der Neigungswinkel ß bspw. ein Winkel zwischen einer Tangente Tß der zweiten Seitenwandstruktur 223 und der Oberflächennormalen Nß am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung 220 sein.
Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit abgeflachter Spitze und einem ersten und einem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung mit jeweils gekrümmten Seitenwandstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich zu Vorrichtung 200 weisen sowohl der erste Abschnitt 322 als auch der zweite Abschnitt 324 der Strahlleiteinrichtung 320 der Vorrichtung 300 gekrümmte Seitenwandstrukturen 321 , 323 auf. Darüber hinaus weißt Vorrichtung 300 entsprechend Vorrichtung 200 eine abgeflachte Spitze 340 auf. Im Gegensatz zu Vorrichtung 200 kann das Metallmaterial 330 wie in Fig. 3 gezeigt jedoch auch außerhalb der unmittelbaren Abflachung der Spitze, also in einem Bereich um die abgeflachte Spitze herum, angeordnet sein
Ganz allgemein können beliebige Kombinationen von geraden und gekrümmten Seitenwandstrukturen verwendet werden. Insbesondere kann auch ein einzelner Abschnitt der Strahlleiteinrichtung über gerade und gekrümmte Seitenwandstrukturen verfügen. Darüber hinaus sei auch darauf hingewiesen, dass Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf symmetrische Strahlleiteinrichtungen eingeschränkt sind. So können Seitenwandstrukturen von Abschnitten der Strahlleiteinrichtung jeweils verschiedene Neigungswinkel aufweisen. Dementsprechend kann eine Spitze des zweiten Abschnitts auch außerhalb eines Bereichs um einen lateralen Mittelpunkt des zweiten Abschnitts 324 angeordnet sein.
Ferner sei auch darauf hingewiesen, dass Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Geometrien der Strahlleiteinrichtung aufweisen können. So kann die Strahlleiteinrichtung 220 eine zumindest teilweise runde, elliptische oder vieleckige Grundfläche aufweist, wobei die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung die Schnittfläche der Strahlleiteinrichtung mit dem Substrat 110 bildet
Wie in Fig. 3 gezeigt kann der Neigungswinkel der ersten Seitenwandstruktur 322 auch ein Neigungswinkel y sein, welcher ein Winkel zwischen einer Sekante Ss der ersten Seitenwandstruktur 322 und der Oberflächennormalen NY ist, wobei die Sekante durch zwei vertikal, bezüglich der Hauptseite des Substrats, auf der ersten Seitenwandstruktur übereinanderliegende Punkte bestimmt ist, wobei ein erster der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen der ersten Seitenwandstruktur 322 und der Hauptseite 112 des Substrats 110 liegt und wobei ein zweiter der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung 320 liegt (erster Punkt PYi, zweiter Punkt Py2).
Dementsprechend kann der Neigungswinkel der zweiten Seitenwandstruktur 322 auch ein Neigungswinkel ö sein, welcher ein Winkel zwischen einer Sekante SÖ der zweiten Seitenwandstruktur 323 und der Oberflächennormalen NÖ ist, wobei die Sekante durch zwei vertikal, bezüglich der Hauptseite 112 des Substrats, auf der zweiten Seitenwandstruktur 323 übereinanderliegende Punkte bestimmt ist, wobei ein erster der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung liegt und wobei ein zweiter der beiden Punkte einen Punkt des zweiten Abschnitts mit dem größten vertikalen Abstand zur Hauptseite des Substrats bildet (erster Punkt Pöi , zweiter Punkt Pö2).
Ganz allgemein kann der erste Neigungswinkel, also bspw. Winkel a oder Winkel y, zumindest 1° und höchstens 25° betragen oder weniger als 10°. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Neigungswinkel, also bspw. Winkel ß oder Winkel ö, zumindest 10° und höchstens 90° betragen.
Als weiteres optionales Merkmal kann eine auf die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung projizierte Breite BA einer Grenzfläche zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung 320 zumindest das 0,2-fache einer Wellenlänge des Wellenlängenbereichs und höchstens das 15-fache einer Wellenlänge des Wellenlängenbereichs betragen, wobei die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung 320 eine Schnittfläche der Strahlleiteinrichtung mit dem Substrat 110 ist.
Ferner kann eine Höhe H, vertikal zur Hauptseite des Substrats, einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 bspw. zumindest 0,5 pm und höchstens 25 pm aufweisen.
Bezug nehmend auf Figs 1-3, kann das Halbleitersubstrat 110 optional einen Schichtstapel umfassen. Ferner kann das Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung 120, 220, 320 zumindest eines aus Silizium, Germanium und/oder eine Materialverbindung umfassend Silizium und/oder Germanium umfassen. Das Metallmaterial 130, 230, 330 kann wiederum ebenfalls einen Schichtstapel umfassen. Ferner kann das Metallmaterial 130, 230, 330 zumindest eines aus einem Metall, einem Silizid und/oder einem metallischen Nitrid umfassen. Bspw. kann das Metallmaterial 130, 230, 330 zumindest eines aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Gold, Titan, Nickelsilizid, Cobaltsilizid, Titansilizid und/oder Titannitrid aufweisen.
Fig. 4a zeigt eine schematische Seitenansichte einer Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit Vorderseitenkontaktierung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Fig. 4b zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit einer Rückseitenkontaktierung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. In Figs. 4a und 4b sind die Vorrichtungen 400a und 400b gezeigt. Beide Vorrichtungen umfassen ein Substrat 110 mit einer Hauptseite 112 und eine Strahlleiteinrichtung 420, welche bspw. gemäß einem der vorigen Ausführungsbeispiele ausgebildet sein kann. Beide Vorrichtungen weisen als optionales Merkmal eine erste Kontaktierung 440 auf, welche elektrisch leitfähig mit dem jeweiligen Metallmaterial 430 verbunden ist.
Die Vorrichtung 400a weist ein Kontaktmaterial 450a auf, welches bspw. einen gute Leitfähigkeit aufweisen kann und an dem Halbleitermaterial des zweiten Abschnitts 424 der Strahlleiteinrichtung angeordnet ist, bspw. wie in Fig. 4a gezeigt in unmittelbarer Nähe zum Metallmaterial.
Gemäß dem Beispiel der Vorrichtung 400a kann die Vorrichtung eine zweite Kontaktierung 460a aufweisen, welche auf dem Kontaktmaterial angeordnet ist. Die zweite Kontaktierung 460a ist dementsprechend elektrisch leitfähig mit dem Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung 420 verbunden. Entsprechend können das erste und/oder zweite Kontaktmaterial 450a, 450b jeweils als ohmscher Kontakt ausgebildet sein. Bspw. kann die Kontaktierung jedoch auch über andere leitfähige Materialien, wie bspw. dotierte Halbleiterbereiche bereitgestellt werden.
Gemäß dem Beispiel der Vorrichtung 400b kann ein Kontaktmaterial 450b jedoch auch dazu ausgebildet sein, eine elektrisch leitfähige Verbindung des Halbleiterbereichs des zweiten Abschnitts in der unmittelbaren Nähe des Metallmaterials 430 bis zur, der Hauptseite 112 entgegengesetzten, Seite des Substrats 110. Somit kann eine zweite Kontaktierung 460b auf der Rückseite des Substrats angeordnet sein. Die zweite Kontaktierung 460b ist dementsprechend elektrisch leitfähig mit dem Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung 420 verbunden.
Die erste und zweite Kontaktierung kann in beiden Fällen jeweils dazu ausgebildet sein einen Fotostrom, basierend auf einer internen Photoemission, durch an dem Schottky- Übergang absorbierte elektromagnetische Strahlung, bereitzustellen.
Gemäß dem Beispiel der Vorrichtung 400a können sich die erste und zweite Kontaktierung auf einer gleichen Seite der Vorrichtung befinden. Alternativ können sich die erste und zweite Kontaktierung, wie bei Vorrichtung 400b auf einer gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung befinden.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist der Kontakt 450a außerhalb der Spitze auf der Vorderseite angeordnet und der Kontakt 450b ist direkt an der Rückseite (bspw. ohne Leitbahn auf der Vorderseite, z.B. direkter Substratkontakt) angeordnet. Eine solche Anordnung kann bspw. einfacher zu realisieren sein, als die in Figs. 4a und 4b gezeigten Vorrichtungen mit den ohmschen Kontakten 450a und 450b.
Generell können Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung vorder- oder rückseitige Kontaktierungen umfassen. Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele erläutert und einige vorherig erläuterte Ausführungsbeispiele in anderen Worten erklärt. Dazu werden zuerst erfindungsgemäße Ideen oder Lösungsideen der Erfindung gemäß Ausführungsbeispielen in anderen Worten erläutert.
Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, das die im Stand der Technik beschriebenen Pyramidalstrukturen zwar prinzipiell geeignet sind elektromagnetische Strahlung in einen kleinen Raumbereich an der Spitze zu fokussieren und damit die Empfindlichkeit (bzw. das Signal-Rausch-Verhältnis) zu verbessern, die Wirkung dieser Eigenschaft jedoch aufgrund der technologisch bedingt zu großen Flankenwinkel völlig unzureichend für sinnvolle Applikationen ist.
Dieser Sachverhalt ist in Fig. 10 schematisch dargestellt. Die Pyramidenstruktur 50 hat eine Basis 56 und eine Spitze 55, die die Projektion des metallisierten Bereichs auf die Grundfläche darstellt. Der Flankenwinkel a 12 ist wie in Fig. 9 definiert. Dargestellt sind zwei Facettenkanten 51 und 52 der Pyramide. Ebenfalls eingezeichnet sind Spiegelbilder 53 und 54 der beiden Facetten 51 und 52 (gegenseitige Spiegelungen). Die zugehörigen Spiegelbilder der Spitze 55 sind mit 57, 58 und 59 bezeichnet. Diese Darstellung entspricht einer Auffaltung des durch nacheinander folgende Spiegelungen entstehenden Zick-Zack-Ver- laufs von Lichtstrahlen in der Pyramide. Unter Zuhilfenahme der Spiegelbilder lassen sich Lichtstrahlen als gerade Linien darstellen. Ein erster Lichtstrahl 60 tritt in die Pyramide ein, kreuzt die Facette 52 einmal und trifft auf das Spiegelbild 57 der Spitze 55. Das entspricht real einer Spiegelung an der Facette 52. Ein zweiter Lichtstrahl 61 tritt ebenfalls in die Pyramide ein, kreuzt jedoch nacheinander die Facette 52 und die Spiegelbilder 53 und 54 ohne auf eines der Spiegelbilder 57, 58 und 59 zu treffen. Vielmehr kreuzt er noch weitere, nicht mehr eingezeichnete, Spiegelbilder der Facetten 51 und 52 ohne jemals auf ein Spiegelbild der Spitze 55 zu treffen. Das bedeutet real, dass der Strahl 61 nach einer Reihe von Reflexionen an den Facetten die Pyramide wieder verlässt ohne detektiert worden zu sein, da er die Spitze 55 verfehlt.
Obige Analyse führt zur Erkenntnis, dass zum einen die Metallisierung der Spitze eine sinnvolle, von der Basisbreite abhängige, Mindestabmessung (auf die Grundfläche projizierte Breite/Fläche) aufweisen sollte oder bspw. sogar aufweisen muss, da sonst ein Großteil der Strahlung die Pyramide durch Reflexion, ohne detektiert zu werden, wieder verlassen kann. Zum anderen kann durch eine Verkleinerung des Flankenwinkels a bei gleichbleibender Basis- und Spitzenbreite erreicht werden, dass ein Lichtstrahl auch nach mehreren Reflexionen die Metallisierung noch treffen kann. Somit kann die Fokuseigenschaft der Struktur erheblich verbessert werden.
Demzufolge kann ein erster Schritt zur Lösung in einer deutlichen Verkleinerung des Flankenwinkels, bspw. vorzugsweise kleiner als 10° liegen. Die hierdurch steiler werdende Pyramide kann bei gleicher Grundfläche jedoch erheblich höher werden. Dieser Umstand ist nicht wünschenswert, da die Realisierung mit den Standardverfahren der Halbleitertechnik bei zunehmender Strukturhöhe deutlich erschwert werden kann. Eine erfindungsgemäße Lösung dieses Problems liegt in einer Zweiteilung der Pyramidalstruktur in einen unteren Bereich mit kleinem Flankenwinkel und einem oberen Bereich mit größerem Flankenwinkel. Die auf die Grundfläche der Struktur projizierte Breite des oberen Bereichs kann dabei bspw. vorteilhaft in der Größenordnung einiger Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung im Halbleiter liegen. Anders ausgedrückt kann der Schottky- Übergang auf einen Wellenlängenbereich angepasst sein und eine auf die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung projizierte Breite einer Grenzfläche zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung kann in einer Größenordnung einiger Wellenlängen von Wellenlängen des Wellenlängenbereichs liegen . Eine mögliche Ausführungsvariante ist schematisch in Fig. 11 als Seitenansicht dargestellt. Fig. 11 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Systems zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das System umfasst eine Vielzahl von Vorrichtungen, welche jeweils Strahlleiteinrichtungen umfassend einen ersten Abschnitt 20 und einen zweiten Abschnitt 24 aufweisen. Die Strahlleiteinrichtungen sind auf einem gemeinsamen Substrat 1 angeordnet und können in einem Raster angeordnet sein. Anders ausgedrückt bestehen die Strukturen aus dem unteren Bereich 20 und dem oberen Bereich 24 und können bspw. mit unterschiedlichen Trockenätzverfahren aus dem Substrat 1 heraus hergestellt werden. Die Facettenoberflächen müssen dabei, wie für den oberen Bereich 24 angedeutet, nicht notwendig eben sein. Sie können bspw. durchaus eine Krümmung aufweisen. Eine derartige Form der oberen Struktur 24 kann dabei neben der Höhenbegrenzung noch den bspw. großen Vorteil haben selbst eine fokussierende Wirkung zu haben und bspw. durch die Zuspitzung die oben erwähnten plasmonischen Effekte prinzipiell zu ermöglichen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass eine ebene Begrenzung der Strahlleiteinrichtung, hier als Beispiel ausgebildet als Pyramide (Pyramidenstumpf) mit einer flachen Facette parallel zur Substratoberfläche zwar technologisch einfacher, hier aber bspw. nicht zielführend sein kann. Eine flache Facette könnte nämlich vorwiegend wieder als Planspiegel wirken und bspw. den Großteil der Strahlung zurückreflektieren. Da, wie oben ausgeführt, die Breite (oder die projizierte Fläche) der oberen Struktur 24 nicht zu klein sein sollte oder sogar sein darf, um die fokussierende Wirkung noch zu gewährleisten oder zumindest zu ermöglichen, könnte an der Stelle auch eine sehr kleine plane Oberfläche, die möglicherweise ebenfalls plasmonische Effekte zulassen würde, weitgehend unwirksam sein.
Dieser neuartige, bisher in der Literatur nicht beschriebene, Ansatz einer Zweiteilung der Strukturen ist nicht auf Pyramiden beschränkt. Bspw. durch die Abkehr von dem in der Literatur beschriebenen anisotropen nasschemischen Ätzverfahren hin zu trockenchemischen Prozessen kann gemäß Ausführungsbeispielen eine weitaus vielfältigere Strukturge- bung ermöglicht werden. Insbesondere können unterschiedliche Ätzverfahren kombiniert werden in dem z.B. für den unteren Bereich 20 ein anderes Verfahren verwendet wird als für den oberen Bereich 24, so dass im unteren Bereich 20 die Flächen nahezu eben sind und im oberen Bereich 24 eine Krümmung aufweisen. Alle sinnvoll einsetzbaren Strukturen haben jedoch die nach oben spitz zulaufende Form gemeinsam. Anders ausgedrückt verringert sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker als im ersten Abschnitt. Deshalb werden sie im Folgenden als Beispiel für Ausgestaltungen der Strahlleiteinrichtungen mit dem Sammelbegriff konische Strukturen bezeichnet, selbst wenn ein Konus im üblichen Sprachgebrauch einen runden Querschnitt hat. Im Sinne der Erfindung sind damit insbesondere auch andere Querschnittsformen, z.B. Vielecke, Kreise und Ellipsen, darunter zu verstehen, deren Flankenwinkel sich auch mindestens einmal ändern kann.
Das Aufbringen des Metallmaterials, bspw. die Metallisierung kann gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ebenfalls vorteilhaft (jedoch nicht notwendig) nur im Bereich der Spitze erfolgen. Da an einem Schottky-Übergang Ladungsträger auch durch thermische Anregung über die Barriere hinweg in den angrenzenden Halbleiter gelangen können, was zu einem erhöhten Dunkelstrom und damit verbunden einem elektrischen Rauschen führen kann, kann es bspw. sehr vorteilhaft sein die Grenzfläche des Schottky-Übergangs klein zu halten. In Verbindung mit der fokussierenden Wirkung der konischen Struktur oder anders ausgedrückt, bspw. des ersten und/oder zweiten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung mit der erfindungsgemäßen Querschnittsänderung, die die Strahlung in den Bereich des Metallmaterials, bspw. der Metallisierung lenkt, kann sich dann eine u.U. deutliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses ergeben. Eine allgemeine Beschreibung der konischen Strukturen kann bspw. über die Form der Berandungskurven in einem Schnitt senkrecht zur Substratoberfläche erfolgen. Dabei können die Schnitte bspw. vorteilhaft so gelegt werden, dass sie die mögliche Symmetrie der konischen Struktur berücksichtigen. In Fig. 12 ist beispielhaft ein solcher Querschnitt durch eine z.B. runde oder quadratische konische Struktur 10 gezeigt. Fig. 12 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Strahlleiteinrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Die Struktur wird im unteren Bereich von den Kurvenstücken 70a und 70b berandet. Zum oberen Bereich gehören die Kurvenstücke 71a und 71b. Die unterschiedlichen Flankenwinkel 74 und 75 werden von der Normale 72 zur Substratoberfläche aus gemessen. Da die einzelnen Kurvenstücke eine Krümmung aufweisen können, werden für eine sinnvolle Definition der Flankenwinkel 74 und 75 die Tangenten 73a und 73b an die Kurvenstücke an den Punkten gebildet, an denen sie aufeinander treffen. Aus Fig. 12 ist ersichtlich, dass sich Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung in dieser Beschreibung dadurch auszeichnen können, dass der Flankenwinkel ß 75 größer als der Flankenwinkel a 74 ist. Vorteilhaft sind z.B. für den Winkel a 74 Werte dem Betrage nach zwischen 1 ° und 25° und für den oberen Winkel ß 75 Werte dem Betrage nach zwischen 10° und 90°.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass obige Definition der Flankenwinkel aus prozesstechnischer Sicht bei der Herstellung solcher Strukturen eine Idealisierung darstellen kann, da die betreffenden Flächenstücke real bspw. immer eine gewisse Rauigkeit aufweisen können. Auch der Übergang von einem Kurven (Flächen-) stück zum nächsten kann Unebenheiten und kleine Abweichungen von der Sollform haben. Das Anlegen von Tangenten kann in diesem Sinne als Mittelwertbildung der tatsächlichen Kurvenpunkte über ein hinreichend kleines Stück der Kurve verstanden werden.
So umfassen Ausführungsbeispiele z.B. auch solche Strukturen, die beim Übergang des Kurvenstücks 70a zum Kurvenstück 71a einen kleinen Absatz oder Steg aufweisen oder bei denen beim Übergang der Kurve 71a zu 71b Verrundungen in der Spitze auftreten.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung können unterschiedliche Formen der Strahlleiteinrichtungen, bspw. ausgebildet als zweistufigen konischen Strukturen, aufweisen. Das kann sowohl die Grundform der Strukturbasis, also bspw. die Schnittfläche der Strahlleiteinrichtung mit dem Substrat, als auch die Form der Flächenstücke, also bspw. der Seitenwandstruktur, (bspw. gekrümmt oder gerade) aus denen sie bestehen können, betreffen. Unabhängig von der Formgebung können einige oder sogar alle Ausführungsbeispiele oder Ausführungsvarianten auf dem IPE-Prinzip basieren und können deshalb einen Schottky- Übergang zumindest in der (ggf. abgeflachten Spitze der konischen Struktur aufweisen.
In Fig. 14 sind drei mögliche Formen der Strukturbasis in Draufsicht dargestellt. Anders ausgedrückt zeigt Fig. 14 schematische Draufsichten von Strahlleiteinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung. Aus einer quadratischen Basis 20 entsteht eine zweistufige vierseitige Pyramide. Eine kreisförmige Basis 30 ergibt einen zweistufigen Kegel. Das dritte Beispiel zeigt eine hexagonale Basis 40 aus der eine zweistufige hexagonale Pyramide entsteht.
In Fig. 15 sind zwei mögliche Ausführungen im Querschnitt senkrecht zur Substratoberfläche gezeigt. Anders ausgedrückt zeigt Fig. 15 schematische Seitenansichten zweier Strahlleiteinrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die erste Struktur 1510 besteht aus vier Kurvenstücken, bei denen der untere Bereich, also bspw. der erste Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, eine gerade Berandung und der obere Bereich, also bspw. der zweite Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, eine gekrümmte Berandung mit einer Spitze aufweist. Die zweite Ausführung 1520 hat zusätzlich ein fünftes Kurvenstück (klein gegenüber der sonstigen Strukturgröße) im oberen Bereich, durch den die konische Struktur einen flachen Abschluss hat. In anderen Worten weißt die Strahlleiteinrichtung 1520 eine abgeflachte Spitze auf. Die zweite Ausführung kann prozesstechnische Vorteile aufweisen.
Für die Realisierung der Strahlleiteinrichtungen, bspw. ausgebildet als konischen Strukturen, können gemäß Ausführungsbeispielen unterschiedliche Halbleitermaterialien verwendet werden. Neben Silizium kann auch Germanium oder eine Legierung aus Silizium und Germanium verwendet werden. Weiterhin kann der Halbleiter eine n oder p Dotierung aufweisen, wodurch entweder Elektronen oder Löcher die Majoritäts-Ladungsträger der Vorrichtung, bspw. ausgebildet als einen Diode, sind. Die Dotierung kann homogen oder graduell zur Grenzfläche hin ausgeführt sein.
Der Schottky-Übergang kann durch Überdeckung des Halbleiters mit einem Metallmaterial, bspw. umfassend ein Metall, erreicht werden. Das kann z.B. Aluminium, Kupfer, Nickel, Gold oder Titan sein. Weiterhin können auch Silizide, wie z.B. Nickelsilizid (NiSi), Cobaltsi- lizid (CoSi) der Titansilizid (TiSi) Verwendung finden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von metallischen Nitriden, wie etwa Titannitrid (TiN). Ein wesentliche Bedingung an den Werkstoff auf der Metallseite des Bauelements kann eine ausreichende oder gute elektrische Leitfähigkeit sein. Neben einem einzelnen metallischen Werkstoff kann auch ein Schichtstapel verschiedener Materialien wie z.B. TiN/AI zum Einsatz kommen.
Weiterhin kann ein System von erfindungsgemäßen Vorrichtungen, bspw. ausgebildet als eine Diode, aus mehreren Strahlleiteinrichtungen, bspw. in Form von konischen Strukturen, aufgebaut sein oder diese umfassen. Diese können, müssen aber nicht, in einem Raster angeordnet sein. Es sind unterschiedliche Raster möglich, z.B. quadratisch oder hexagonal. Fig. 16 zeigt eine schematische Draufsicht eines Systems zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit einer Vielzahl von Vorrichtungen mit quadratischer Grundfläche der Strahlleiteinrichtungen, welche in einem quadratischen Raster angeordnet sind. Fig. 17 zeigt eine schematische Draufsicht eines Systems zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit einer Vielzahl von Vorrichtungen mit runder Grundfläche der Strahlleiteinrichtungen, welche in einem hexagonalen Raster angeordnet sind. Anders ausgedrückt zeigen Fig. 16 als Beispiel eine quadratische Anordnung von quadratischen Pyramidalstrukturen in einer Diode und Fig. 17 eine hexagonale Anordnung von Kegelstrukturen. Durch die Kombination mehrerer konischer Strukturen zu einem System, bspw. einer Diode, kann die Empfindlichkeit der Absorptionsvorrichtung, bspw. in Form einer Diode, erhöht werden, da die effektive Gesamtfläche vergrößert wird. Die Spitzen können dabei mit einer gemeinsamen Metallisierung versehen werden.
In anderen Worten kann allgemein also ein erfindungsgemäßes System 1600, 1700 zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1620, 1720 umfassen, wobei die Vorrichtungen in einem Raster 1630, 1640 angeordnet sind, und wobei die Substrate der Vielzahl von Vorrichtungen ein gemeinsames Substrat 1610, 1710 bilden. Optional kann das System 1600, 1700 bspw. als Diode oder Bildsensor ausgebildet sein. Beispielsweise kann das System 1600, 1700 ein focal plane array (FPA) aufweisen oder als solches ausgebildet sein. FPAs können bei Anwendungen im Infrarotbereich Bildsensoren umfassen oder als solche ausgebildet sein. Anders ausgedrückt können Bildsensoren im Infraroten als FPA bezeichnet werden, bspw. obwohl sie der Funktion nach Bildsensoren sind. Wie im Kontext von Figs. 16 und 17 erläutert können erfindungsgemäße Vorrichtungen und deren Strahlleiteinrichtungen in einer beliebigen Rasterform angeordnet sein, bspw. in einem rechteckigen, quadratischen oder hexagonalen Raster. Wie zuvor erläutern kann ein Kontaktierungsaufwand vereinfacht werden, indem bspw. Metallmaterialien der Vielzahl von Vorrichtungen 1620, 1720 eine erste gemeinsame Kontaktierung aufweisen und/oder wobei das gemeinsame Substrat 1610, 1710 eine zweite gemeinsame Kontaktierung aufweist.
Eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bspw. als konische Fotodiode ist in Fig. 13 als schematische Seitenansicht dargestellt. Fig. 13 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine quadratische konische Struktur 20, bei der der untere Bereich von Geraden 21 und der obere Bereich von Kurvenstücken 24 berandet ist. Durch den steileren Flankenwinkel a 22 erreichen die drei exemplarisch gezeigten Lichtstrahlen 26, 27 und 28, auch nach mehreren Reflexionen, das Metallmaterial, bspw. eine Metallisierung 25 der Struktur. Hierin wird der deutliche Vorteil gegenüber dem Stand der Technik in Fig. 9 sichtbar.
Hierbei sei auch darauf hingewiesen, dass ganz allgemein das Metallmaterial wie in Fig. 13 gezeigt die gesamte, der Hauptseite des Substrats 1 gegenüberliegende Oberfläche der Strahlleiteirichtung bedecken kann, oder bspw. wie in Fig. 1 gezeigt nur einen Teil davon, bspw. einen Bereich um die Spitze des zweiten Abschnitts herum.
Grundsätzlich, wie bspw. anhand von Figs. 4a und 4b erläutert, kann die erfindungsgemäße Lösung auch derart ausgeführt sein, dass die zwei Kontakte zur elektrischen Kontaktierung der Vorrichtung, bspw. ausgebildet als Fotodiode nicht, wie in Fig. 6 dargestellt, auf der Vorderseite des Substrats angeordnet sind, sondern sich ein Kontakt auf der Substratrückseite (Rückseitenkontaktierung des Halbleiters) befindet.
Als grundlegende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik können hier noch einmal die ökonomischen Vorzüge der Siliziumtechnologie und Nachhaltigkeitsaspekte durch den Verzicht auf Schwermetalle wie Arsen und Blei hervorgehoben werden.
Fig. 18 zeigt eine schematische Seitenansicht eines SOI-Substrats gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
Als Substrat für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen, bspw. ausgebildet als konische Fotodioden, kann auch ein sogenanntes SOI Substrat 500 (Silicon-on-insulator) verwendet werden. Das Substrat kann bspw. aus drei Schichten bestehen. Die erste Schicht 510 kann aus einem Halbleitermaterial bestehen und wird als Trägerschicht bezeichnet. Sie kann, bspw. mit einigen 100pm Dicke, die mechanische Stabilität bei der Bearbeitung verleihen. Die zweite Schicht 520 kann aus einem Isolatormaterial bestehen und kann bspw. sehr viel dünner als die Trägerschicht 500 ausgebildet sein, z.B. typischerweise im Bereich einiger 100nm oder einiger Mikrometer. Die dritte Schicht 530 kann wiederum aus einem Halbleitermaterial bestehen und kann in der Dicke je nach Anwendung variieren. In der Halbleitertechnik wird fast ausschließlich mit der Materialkombination Silizium-Sil iziumdioxid-Sili- zium gearbeitet.
Das elektronisch funktionale Bauelement kann dabei in der dritten Schicht 530, die in ihren Eigenschaften (z.B. Dotierung) angepasst sein kann, entstehen oder anders ausgedrückt im Zuge eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erzeugt werden.
Der Vorteil bei der Verwendung derartiger Substrate kann für Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung in der Möglichkeit bestehen nach erfolgter Prozessierung der Vorrichtungen, welche bspw. als Dioden ausgebildet sein können, in der Funktionsschicht 530 die Trägerschicht 510 selektiv (z.B. durch nasschemisches Ätzen) gegenüber der Isolatorschicht 520 entfernen zu können. Hierdurch kann der Lichtweg durch das Substrat substanziell verkürzt werden.
Fig. 19 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vielzahl von Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, welche auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Fig. 19 zeigt bspw. ein Zwischenprodukt eines Herstellungsprozesses.
Die Lichtleiteinrichtungen, bspw. ausgebildet als konischen Strukturen 540 für die Vorrichtungen, welche bspw. Fotodioden sein können, können in die dritte Schicht 530 hineinstrukturiert werden, bspw. durch Ätzprozesse, bspw. mittels eines trockenchemischen Ätzverfahren in zwei direkt aufeinanderfolgenden Prozessschritten unter Verwendung von zumindest zwei Parametrierungen. Wenn benachbarte Strukturen einen gemeinsamen elektrischen Kontakt benötigen, kann ein dünner Steg 550 zwischen diesen Strukturen stehen bleiben. Ist dies nicht der Fall, so kann die Seitenwand der konischen Struktur auch bis auf die zweite Schicht 520 reichen.
Anders ausgedrückt kann also bspw. das Anordnen einer Strahlleiteinrichtung an der Hauptseite des Substrats ein Bearbeiten der dritten Schicht 530 umfassen, sodass die Strahlleiteinrichtung an der zweiten Schicht 520 oder an einer verbleibenden Teil der dritten Schicht des SOI Substrats 500 angeordnet ist.
Fig. 20 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vielzahl von Vorrichtungen zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung, welche auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, mit entfernter Trägerschicht, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
Das Entfernen der Trägerschicht 510 kann den Lichtweg durch das Substrat bei einer Rückseitenbeleuchtung bspw. entscheidend verkürzen. Hierdurch können Restabsorption im Substrat und ein mögliches Übersprechen zwischen unterschiedlichen konischen Strukturen minimiert werden.
In anderen Worten können Verfahren gemäß Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als weiteres optionales Merkmal ferner ein Bereitstellen einer Trägerschicht 510; und ein Anordnen einer Isolatorschicht 520 auf der Trägerschicht; und ein Anordnen des Halbleitermaterial 530s auf der Isolatorschicht und ein zumindest teilweises Entfernen der Trägerschicht nach dem Anordnen der Strahlleiteinrichtung 540 umfassen.
Allgemein können ferner Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ein Anordnen einer Mehrzahl von Strahlleiteinrichtungen 540 an der Hauptseite des Substrats umfassen und ein Anordnen des Metallmaterials an den zweiten Abschnitten der Strahlleiteinrichtungen (nicht gezeigt), an einer dem Substrat abgewandten Seite der zweiten Abschnitte; wobei das Anordnen der Mehrzahl von Strahlleiteinrichtungen ein partielles Entfernen des Halbleitermaterials in einem Bereich 550 zwischen zumindest zwei benachbarten Strahlleiteinrichtungen umfasst und ein Anordnen einer gemeinsamen Kontaktierung (nicht gezeigt) der zumindest zwei benachbarten Strahlleiteinrichtungen in dem Bereich 550 des partiell entfernten Halbleitermaterials.
Ferner sei im Hinblick auf Figs. 18 bis 20 darauf hingewiesen, dass das SOI Substrat 500 das Substrat der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden kann. Wird bspw. wie in Fig. 19 gezeigt ein Teil der Halbleiterschicht 530 unterhalb des zu Strahlleiteinrichtungen 540 strukturierten Halbleitermaterials „stehen gelassen“ so kann ein erfindungsgemäßes Substrat durch ein SOI Substrat gebildet sein. In einem solchen Fall kann bspw. die Schicht 510 nur gedünnt und nicht vollständig entfernt sein. Alternativ kann das Substrat der Vorrichtung auch nur durch die Isolatorschicht 520 der SOI Anordnung 500 gebildet sein, bspw. wenn aus der Schicht 530 die Strahlleiteinrichtungen herausgeätzt werden, bis „hinunter“ auf die Isolatorschicht 520. In diesem Fall kann bspw. auch die Schicht 510 vollständig entfernt sein, sodass das Substrat unterhalb der Strahlleiteinrichtungen nur durch die Schicht 520 gebildet ist. Erfindungsgemäß sind jedoch auch Kombination der Schichten und Kombination von teilentfernten Schichten des SOI-Substrats als Substrat für die Strahlleiteinrichtungen möglich. Darüber hinaus kann gemäß Ausführungsbeispielen ebenfalls eine mechanische Stabilisierung des Systems bei vollständig entfernter Trägerschicht 510 durch eine Beschichtung der, bspw. fertig prozessierten, Vorrichtungen, bspw. ausgebildet als Dioden, auf der Vorderseite mit unterschiedlichen Materialien verschiedener Dicke vorgenommen werden. In anderen Worten kann die Vorrichtung von Seite der Strahlleiteinrichtungen 540 her (bspw. bei bereits aufgebrachtem Metallmaterial, bspw. in Form einer Metallisierung) mit einem oder mehreren Materialien unterschiedlicher Dicke beschichtet werden. Dies kann bspw. Vorteile aufweisen, wenn die Schicht 520, bspw. in Form einer SiC>2 Schicht, sehr dünn ausgebildet ist und damit über keine ausreichende mechanische Steifigkeit oder Stabilität verfügt. Anders ausgedrückt kann eine dünne oder sogar sehr dünne SiC>2 Schicht, bspw. als Isolatorschicht 520, keine ausreichend große mechanische Steifigkeit aufweisen, sodass bspw. weitere Beschichtungen zur Stabilisierung aufgebracht werden können. Das Aufbringen von zusätzlichen stabilisierenden Beschichtungen ist jedoch auch bei teilentfernter Trägerschicht 510, oder bspw. bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die mechanische Steifigkeit bei nicht-entfernter Trägerschicht 510, möglich.
Fig. 21 zeigt ein Verfahren zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Fig. 21 zeigt Verfahren 2100 umfassend Bestrahlen 2110 einer, einer Hauptseite eines Substrats gegenüberliegenden, Rückseite des Substrats mit der elektromagnetischen Strahlung, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, sodass die elektromagnetische Strahlung in eine auf der Hauptseite des Substrats angeordnete Strahlleiteinrichtung eindringt, und wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, und wobei die Strahlleiteinrichtung einen ersten und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei der erste Abschnitt dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, und wobei sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker verringert als im ersten Abschnitt. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt 2120 umfassend ein Transmittieren der elektromagnetischen Strahlung durch den ersten und zweiten Bereich der Strahlleitein- richtung, oder ein Reflektieren der elektromagnetischen Strahlung an einer Seitenwandstruktur des ersten und/oder zweiten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung. Darüber hinaus umfasst das Verfahren ein Absorbieren 2130 der elektromagnetischen Strahlung an einem Schottky- Übergang, wobei der Schottky-Übergang von einem Metallmaterial zusammen mit dem zweiten Abschnitt bereitgestellt wird, wobei das Metallmaterial an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Abschnitts, angeordnet ist.
Fig. 22 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 2200 umfasst ein Bereitstellen 2210 eines Substrats mit einer Hauptseite, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist und ein Anordnen 2220 einer Strahlleiteinrichtung an der Hauptseite des Substrats, wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, und wobei die Strahlleiteinrichtung einen ersten und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei der erste Abschnitt dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, und wobei sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker verringert als im ersten Abschnitt. Ferner umfasst das Verfahren ein Anordnen 2230 eines Metallmaterials an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Abschnitts, wobei das Metallmaterial mit dem zweiten Abschnitt einen für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung eingerichteten Schottky-Übergang bereitstellt.
Der Schritt 2220 kann ferner optional ein trockenchemisches und/oder ein nasschemisches Ätzverfahren umfassen. Als weiteres optionales Merkmal kann der Schritt 2220 ferner ein Anordnen eines Halbleitermaterials auf dem Substrat; und ein Ätzen des Halbleitermaterials mit einem trockenchemischen Ätzverfahren in zwei direkt aufeinanderfolgenden Prozessschritten unter Verwendung von zumindest zwei Parametrierungen umfassen. Dabei kann das Ätzen des Halbleitermaterials ein Ätzen des Halbleitermaterials in einem ersten Prozessschritt mit dem trockenchemischen Ätzverfahren mit einer ersten Parametrierung zur Erzeugung des ersten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung umfassen, und ein Ätzen des Halbleitermaterials in einem direkt darauffolgenden zweiten Prozessschritt mit dem trockenchemischen Ätzverfahren mit einer zweiten Parametrierung zur Erzeugung des zweiten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung. Dabei kann die erste und zweite Parametrierung des trockenchemischen Ätzverfahrens so gewählt sein, dass sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker verringert als im ersten Abschnitt.
Der bspw. große Vorteil von Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht bspw. in der Verwendung von Silizium als Halbleiter, da hierdurch die enormen ökonomischen Vorteile der Siliziumtechnologie genutzt werden können. Die erfindungsgemäße Lösung basiert nicht auf der sonst üblichen pin Diode (diese ist für Silizium ja im NIR weitgehend unempfindlich), sondern auf dem Prinzip der internen Fotoemission an einem Schottky- Übergang zwischen dem Silizium und einem Metallmaterial.
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung aufgeführt und zuvor erläuterte Ausführungsbeispiele in anderen Worten zusammengefasst:
1. Diode zur Detektion elektromagnetischer Strahlung, umfassend oder bestehend aus
- einem Halbleitersubstrat
- mindestens einer konischen Struktur auf einer Vorderseite des Halbleitersubstrats
- einer elektrisch leitfähigen Schicht, die die konische Struktur zumindest teilweise bedeckt, wobei sich zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem Halbleitersubstrat in der konischen Struktur eine Schottky- Barrie re ausbildet, und wobei bei einer Bestrahlung der konischen Struktur mit elektromagnetischer Strahlung elektrische Ladungsträger aus der elektrisch leitfähigen Schicht in die konische Struktur des Halbleitersubstrats emittiert werden und diese Ladungsträger als ein Fotostrom messbar sind.
2. Diode nach AusführungsbeispieH mit
- einem außerhalb der konischen Struktur befindlichen ersten Kontakt zur elektrischen Kontaktierung des Halbleitersubstrats
- einen zweiten Kontakt zur elektrischen Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Schicht wobei der Fotostrom zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt gemessen wird. 3. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei die konische Struktur in einer Querschnittsfläche parallel zur Vorderseite des Halbleitersubstrats von einer endlichen Anzahl zusammenhängender Kurvenstücke berandet wird.
4. Diode nach Ausführungsbeispiel 3 wobei die zusammenhängenden Kurvenstücke einen Kreis oder eine Ellipse oder ein Vieleck bilden.
5. Diode nach Ausführungsbeispiel 3 und 4 wobei die konische Struktur in einer Querschnittsfläche senkrecht zur Vorderseite des Halbleitersubstrats von einer endlichen Anzahl zusammenhängender Kurvenstücke berandet wird.
6. Diode nach Ausführungsbeispiel 5 wobei eine Berandung der konischen Struktur aus 4 oder 5 Kurvenstücken besteht wodurch die konische Struktur in einen unteren Bereich und einen oberen Bereich geteilt wird, wobei der untere Bereich direkt an das Halbleitersubstrat angrenzt und ein Flankenwinkel zwischen einer T angente des zugehörigen Kurvenstücks und einer Flächennormale der Vorderseite kleiner ist als ein Flankenwinkel zwischen einer Tangente des Kurvenstücks des oberen Bereichs und einer Flächennormale der Vorderseite.
7. Diode nach Ausführungsbeispiel 6 wobei der Flankenwinkel des Kurvenstücks für den unteren Bereich dem Betrage nach zwischen 1° und 25° liegt und der Flankenwinkel des Kurvenstücks für den oberen Bereich dem Betrage nach zwischen 5° und 90° liegt.
8. Diode nach Ausführungsbeispiel 6 und 7 wobei das Kurvenstück für den unteren Bereich der konischen Struktur eine Gerade ist und das Kurvenstück für den oberen Bereich ein Bogenstück ist.
9. Diode nach Ausführungsbeispiel 6 und 7 wobei das Kurvenstück für den unteren Bereich der konischen Struktur eine Gerade ist und das Kurvenstück für den oberen Bereich eine Gerade ist.
10. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei das Halbleitersubstrat aus Silizium oder Germanium oder einer Legierung aus Silizium und Germanium besteht.
11. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei die konische Struktur durch eine Strukturierung der Vorderseite des Halbleitersubstrats entsteht.
12. Diode nach einem der vorangehenden Ausführungsbeispiele wobei die konische Struktur eine n- oder p-Dotierung aufweist.
13. Diode nach Ausführungsbeispiel 12 wobei die Dotierung homogen oder graduell ausgeführt ist. 14. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei die elektrisch leitfähige Schicht, die die konische Struktur zumindest teilweise bedeckt, aus einem Metall oder einem Silizid oder einem Germanid oder einem metallischen Nitrid besteht.
15. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei die konische Struktur eine Höhe zwischen 0,5 pm und 25 pm aufweist.
16. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strahlung in der konischen Struktur gebündelt wird.
17. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei in einem Bereich der Spitze der konischen Struktur in der elektrisch leitfähigen Schicht plasmonische Effekte auftreten und eine Empfindlichkeit der Diode erhöhen.
18. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen wobei die elektromagnetische Strahlung, die zu einer Emission von Ladungsträgern aus der elektrisch leitfähigen Schicht führt, in einem Wellenlängenbereich zwischen 1000 nm und 3000 nm liegt.
19. Diode nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen bestehend aus mehreren konischen Strukturen.
20. Diode nach Ausführungsbeispiel 19 wobei die konischen Strukturen in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind.
21. Diode nach Ausführungsbeispiel 20 wobei das Raster quadratisch, rechteckig oder hexagonal ist.
22. Diode nach einem der vorangehenden Ausführungsbeispiele wobei die Bestrahlung der konischen Struktur von einer Rückseite des Halbleitersubstrats aus erfolgt.
Alle hierin aufgeführten Aufzählungen der Materialien, Umwelteinflüsse, elektrischen Eigenschaften und optischen Eigenschaften sind hierbei als beispielhaft und nicht als abschließend anzusehen.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hard- ware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutz- umfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Claims

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Patentansprüche Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend: ein Substrat (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) mit einer Hauptseite, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist; und eine an der Hauptseite (112) des Substrats (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) angeordnete Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720), wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, und wobei die Strahlleiteinrichtung einen ersten und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei der erste Abschnitt (20, 122, 222, 322) dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) angeordnet ist, und wobei sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand (A) zur Hauptseite im zweiten Abschnitt stärker verringert als im ersten Abschnitt; und ein Metallmaterial (25, 130, 230, 330, 430), wobei das Metallmaterial an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer, dem Substrat (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) abgewandten, Seite des zweiten Abschnitts (24, 124, 224, 324, 424), angeordnet ist, und wobei das Metallmaterial mit dem zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) einen für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung eingerichteten Schottky-Übergang (140) bereitstellt. 49
2. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß Anspruch 1 , wobei der erste Abschnitt (20, 122, 222, 322) der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) eine erste Seitenwandstruktur (70a, 70b, 221 , 321) aufweist, welche ausgehend vom Substrat (1 , 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) mit einem ersten Neigungswinkel (a, y) gegenüber einer Oberflächennormalen (N A, NY, 23, 72) der Hauptseite (112) geneigt ist, sodass sich der erste Abschnitt ausgehend vom Substrat verjüngt, um die vom Substrat empfangene elektromagnetische Strahlung zu fokussieren.
3. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß Anspruch 2, wobei der zweite Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) eine zweite Seitenwandstruktur (71a, 71b, 223, 323) aufweist, die ausgehend vom ersten Abschnitt (20, 122, 222, 322) mit einem zweiten Neigungswinkel (ß, ö) gegenüber einer Oberflächennormalen (Nß, N5, 72) der Hauptseite (112) geneigt ist, und wobei der zweite Neigungswinkel größer ist als der erste Neigungswinkel, sodass sich der zweite Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) ausgehend vom ersten Abschnitt (20, 122, 222, 322) verjüngt
4. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß Anspruch 3, wobei der zweite Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) mit der zweiten Seitenwandstruktur (71a, 71 b, 223, 323) dazu ausgebildet ist, um die vom Substrat (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) empfangene elektromagnetische Strahlung zu fokussieren und/oder um eine Absorption der elektromagnetischen Strahlung im Schottky-Übergang (140) mittels plasmonischer Effekte zu begünstigen.
5. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei der erste Neigungswinkel (a, y) zumindest 1 ° und höchstens 25° beträgt, oder wobei der erste Neigungswinkel weniger als 10° beträgt und/oder wobei der zweite Neigungswinkel (ß, ö) zumindest 10° und höchstens 90° beträgt.
6. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, 50 wobei der erste Neigungswinkel (a, y) ein Winkel zwischen einer Tangente (Sa) der ersten Seitenwandstruktur (70a, 70b, 221 , 321) und der Oberflächennormalen (Na, NY, 23, 72) am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) ist, und/oder wobei der zweite Neigungswinkel (ß, ö) ein Winkel zwischen einer Tangente (Tß) der zweiten Seitenwandstruktur (71a, 71 b, 223, 323) und der Oberflächennormalen (Nß, NÖ, 72) am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung ist; oder wobei der erste Neigungswinkel ein Winkel zwischen einer Sekante (SY) der ersten Seitenwandstruktur (70a, 70b, 221 , 321) und der Oberflächennormalen ist, wobei die Sekante durch zwei vertikal, bezüglich der Hauptseite (112) des Substrats (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530), auf der ersten Seitenwandstruktur (70a, 70b, 221 , 321) übereinanderliegende Punkte bestimmt ist, wobei ein erster (PYi) der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen der ersten Seitenwandstruktur (70a, 70b, 221 , 321) und der Hauptseite des Substrats liegt und wobei ein zweiter (PY2) der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung liegt und/oder wobei der zweite Neigungswinkel ein Winkel zwischen einer Sekante (SÖ) der zweiten Seitenwandstruktur (71a, 71b, 223, 323) und der Oberflächennormalen ist, wobei die Sekante durch zwei vertikal, bezüglich der Hauptseite (112) des Substrats (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530), auf der zweiten Seitenwandstruktur übereinanderliegende Punkte bestimmt ist, wobei ein erster (P01) der beiden Punkte in einer Schnittlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung liegt und wobei ein zweiter (P52) der beiden Punkte einen Punkt des zweiten Abschnitts (24, 124, 224, 324, 424) mit dem größten vertikalen Abstand zur Hauptseite des Substrats bildet. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der Schottky-Übergang (140) auf einen Wellenlängenbereich angepasst ist und wobei eine auf die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) projizierte Breite (BA) einer Grenzfläche zwischen dem 51 ersten und zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung zumindest das 0,2- fache einer Wellenlänge des Wellenlängenbereichs und höchstens das 15- fache einer Wellenlänge des Wellenlängenbereichs beträgt, wobei die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung eine Schnittfläche der Strahlleiteinrichtung mit dem Substrat (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) ist.
8. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die erste und/oder die zweite Seitenwandstruktur gerade oder gekrümmt ausgebildet sind.
9. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der zweite Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) an einer, dem Substrat (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) abgewandten, Seite eine Spitze oder eine abgeflachte Spitze (240, 340) aufweist, und wobei das Metallmaterial nur im Bereich dieser Spitze oder abgeflachten Spitze angeordnet ist.
10. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß Anspruch 9, wobei der Schottky- Übergang (140) auf einen Wellenlängenbereich angepasst ist, und wobei der zweite Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) eine abgeflachte Spitze (240, 340) aufweist, und wobei ein abgeflachter Bereich der Spitze eine Breite (Bs) parallel zur Hauptseite (112) des Substrats (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) aufweist, welche kleiner als eine kleinste Wellenlänge des Wellenlängenbereichs ist oder welche der kleinsten Wellenlänge des Wellenlängenbereichs entspricht.
11. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß Anspruch 10, wobei die Spitze oder die abgeflachte Spitze (240, 340) der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) dazu ausgebildet ist, plasmonische Effekte in dem, im Bereich der Spitze aufgebrachten, Metallmaterial (25, 130, 230, 330, 430) hervorzurufen und/oder zu verstärken.
12. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Substrat einen Schichtstapel umfasst; und/oder wobei das Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) Silizium, Germanium und/oder eine Materialverbindung umfassend Silizium und/oder Germanium umfasst.
13. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Metallmaterial (25, 130, 230, 330, 430) einen Schichtstapel umfasst; und/oder wobei das Metallmaterial ein Metall, ein Silizid und/oder ein metallisches Nitrid umfasst.
14. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Metallmaterial zumindest eines aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Gold, Titan, Nickelsilizid, Cobaltsilizid, Titansilizid und/oder Titannitrid umfasst.
15. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Halbleitermaterial der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) eine Dotierung aufweist, und wobei ein Dotiergrad der Dotierung hin zu dem Schottky-Übergang (140), konstant, gestuft oder graduell veränderlich ist.
16. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) eine zumindest teilweise runde, elliptische oder vieleckige Grundfläche aufweist, wobei die Grundfläche der Strahlleiteinrichtung die Schnittfläche der Strahlleiteinrichtung mit dem Substrat (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) bildet.
17. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) eine Höhe, vertikal zur Hauptseite (112) des Substrats (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530), von zumindest 0,5 pm und höchstens 25 pm aufweist. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von zumindest 1000 nm und höchstens 3000 nm oder von zumindest 1000 nm und höchstens 1700 nm ausgebildet ist. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine erste und zweite elektrische Kontaktierung umfasst, und wobei die erste Kontaktierung (440) elektrisch leitfähig mit dem Metall material (25, 130, 230, 330, 430) verbunden ist; und wobei die zweite Kontaktierung (460a, 460b) elektrisch leitfähig mit dem Halbleitermaterial verbunden ist; und wobei die erste und zweite Kontaktierung dazu ausgebildet sind einen Fotostrom, basierend auf einer internen Photoemission, durch an dem Schottky-Übergang (140) absorbierte elektromagnetische Strahlung, bereitzustellen. Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß Anspruch 19, wobei die erste und zweite Kontaktierung an einander gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung angeordnet sind; oder wobei die erste und zweite Kontaktierung auf einer gleichen Seite der Vorrichtung angeordnet sind. System zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend eine Vielzahl von Vorrichtungen (100, 200, 300, 400a, 400b) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Vorrichtungen in einem Raster (1630, 1730) angeordnet sind, und wobei die Substrate (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) der Vielzahl von Vorrichtungen ein gemeinsames Substrat (1610, 1710) bilden. 54
22. System gemäß Anspruch 21 , wobei das System ein Bildsensor und/oder ein focal plane array (FPA) ist.
23. System gemäß einem der Ansprüche 21 oder 22, wobei die Vielzahl von Vorrichtungen (100, 200, 300, 400a, 400b) in einem rechteckigen, quadratischen oder hexagonalen Raster angeordnet sind.
24. System gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Metallmaterialien (25, 130, 230, 330, 430) der Vielzahl von Vorrichtungen (100, 200, 300, 400a, 400b) eine erste gemeinsame Kontaktierung aufweisen und/oder wobei das gemeinsame Substrat (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) eine zweite gemeinsame Kontaktierung aufweist.
25. Verfahren (2100) zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend:
Bestrahlen (2110) einer, einer Hauptseite (112) eines Substrats (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) gegenüberliegenden, Rückseite des Substrats mit der elektromagnetischen Strahlung, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, sodass die elektromagnetische Strahlung in eine auf der Hauptseite des Substrats angeordnete Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) eindringt, und wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, und wobei die Strahlleiteinrichtung einen ersten und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei der erste Abschnitt (20, 122, 222, 322) dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) angeordnet ist, und wobei sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten 55
Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) stärker verringert als im ersten Abschnitt (20, 122, 222, 322); und
Transmittieren (2120) der elektromagnetischen Strahlung durch den ersten und zweiten Bereich der Strahlleiteinrichtung, oder Reflektieren (2120) der elektromagnetischen Strahlung an einer Seitenwandstruktur (70a, 70b, 71a, 71b, 221 , 223, 321 , 323) des ersten und/oder zweiten Abschnitts der Strahlleiteinrichtung; und
Absorbieren (2130) der elektromagnetischen Strahlung in einem Schottky-Über- gang (140), wobei der Schottky- Übergang von einem Metallmaterial zusammen mit dem zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) bereitgestellt wird, wobei das Metallmaterial (25, 130, 230, 330, 430) an dem zweiten Abschnitt der Strahlleiteinrichtung, an einer dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Abschnitts, angeordnet ist. Verfahren (2200) zur Herstellung einer Vorrichtung (100, 200, 300, 400a, 400b) zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung umfassend:
Bereitstellen (2210) eines Substrats (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530) mit einer Hauptseite, wobei das Substrat für die elektromagnetische Strahlung transparent ist; und
Anordnen (2220) einer Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) an der Hauptseite (112) des Substrats, wobei die Strahlleiteinrichtung ein Halbleitermaterial aufweist und wobei das Halbleitermaterial für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, und wobei die Strahlleiteinrichtung einen ersten und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei der erste Abschnitt (20, 122, 222, 322) dem Substrat zugewandt und zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) angeordnet ist, und 56 wobei sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) stärker verringert als im ersten Abschnitt (20, 122, 222, 322); und
Anordnen (2230) eines Metallmaterials (25, 130, 230, 330, 430) an dem zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) der Strahlleiteinrichtung, an einer dem Substrat abgewandten Seite des zweiten Abschnitts, wobei das Metallmaterial mit dem zweiten Abschnitt einen für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung eingerichteten Schottky-Übergang (140) bereitstellt. Verfahren gemäß Anspruch 26, wobei das Anordnen der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) ein trockenchemisches und/oder ein nasschemisches Ätzverfahren umfasst. Verfahren gemäß Anspruch 27, wobei das Anordnen der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) ferner umfasst:
Anordnen eines Halbleitermaterials (530) auf dem Substrat (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530); und
Ätzen des Halbleitermaterials mit einem trockenchemischen Ätzverfahren in zwei direkt aufeinanderfolgenden Prozessschritten unter Verwendung von zumindest zwei Parametrierungen, wobei das Ätzen des Halbleitermaterials ein
Ätzen des Halbleitermaterials in einem ersten Prozessschritt mit dem trockenchemischen Ätzverfahren mit einer ersten Parametrierung zur Erzeugung des ersten Abschnitts (20, 122, 222, 322) der Strahlleiteinrichtung, und ein 57
Ätzen des Halbleitermaterials in einem direkt darauffolgenden zweiten Prozessschritt mit dem trockenchemischen Ätzverfahren mit einer zweiten Pa- rametrierung zur Erzeugung des zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) der Strahlleiteinrichtung umfasst, wobei die erste und zweite Parametrierung des trockenchemischen Ätzverfahrens so gewählt sind, dass sich eine Querschnittsfläche der Strahlleiteinrichtung parallel zur Hauptseite (112) des Substrats mit steigendem Abstand zur Hauptseite im zweiten Abschnitt (24, 124, 224, 324, 424) stärker verringert als im ersten Abschnitt (20, 122, 222, 322). Verfahren gemäß einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei das Verfahren ferner umfasst:
Bereitstellen einer Trägerschicht (510); und
Anordnen einer Isolatorschicht (520) auf der Trägerschicht; und
Anordnen des Halbleitermaterials (530) auf der Isolatorschicht; und zumindest teilweises Entfernen der Trägerschicht nach dem Anordnen der Strahlleiteinrichtung (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720). Verfahren gemäß einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei das Verfahren ferner umfasst:
Anordnen einer Mehrzahl von Strahlleiteinrichtungen (10, 20, 120, 220, 320, 420, 540, 1510, 1520, 1620, 1720) an der Hauptseite (112) des Substrats (1 , 110, 1101 , 1610, 1710, 500, 510, 520, 530); und
Anordnen des Metallmaterials (25, 130, 230, 330, 430) an den zweiten Abschnitten (24, 124, 224, 324, 424) der Strahlleiteinrichtungen, an einer dem Substrat abgewandten Seite der zweiten Abschnitte; 58 wobei das Anordnen der Mehrzahl von Strahlleiteinrichtungen ein partielles Entfernen des Halbleitermaterials (530) in einem Bereich zwischen zumindest zwei benachbarten Strahlleiteinrichtungen umfasst; und Anordnen einer gemeinsamen Kontaktierung der zumindest zwei benachbarten
Strahlleiteinrichtungen in dem Bereich (550) des partiell entfernten Halbleitermaterials.
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