DE102023111971A1

DE102023111971A1 - Sensor, verfahren zur herstellung eines sensors, elektronische vorrichtung und verfahren zum betreiben eines sensors

Info

Publication number: DE102023111971A1
Application number: DE102023111971.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Richter
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2023-05-08
Filing date: 2023-05-08
Publication date: 2024-11-14
Also published as: CN120958983A; WO2024231188A1

Abstract

Ein Sensor (10) umfasst eine Anordnung von Sensorelementen (1001, 1002, ... 100n). Die Sensorelemente (1001, 1002, ... 100n) weisen jeweils ein einzeln auslesbares Detektorelement (1051, 1052, ... 105n) und ein über dem Detektorelement angeordnetes Filterelement (1091, 1092, ... 109n) auf, wobei das Filterelement (1091, 1092, ... 109n) ein erstes Verbindungshalbleitermaterial (135) mit einem sich entlang einer vertikalen Richtung verändernden Zusammensetzungsverhältnis enthält. Dabei weisen mindestens zwei Filterelemente (1091, 1092, ... 109n) voneinander verschiedene Schichtdicken des ersten Verbindungshalbleitermaterials (135) auf.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Sensor, insbesondere einen Multispektralsensor, der geeignet ist, einfallende elektromagnetische Strahlung in verschiedenen Wellenlängenbereichen nachzuweisen.
Sensoren, beispielsweise Sensoren zum Nachweisen von UV-Strahlung basieren auf Halbleiterdioden, die geeignet sind, einfallende elektromagnetische Strahlung in einen Fotostrom umzuwandeln. Generell wird nach Konzepten gesucht, mit denen nachgewiesene Strahlung entsprechend ihrer Wellenlänge aufgelöst und quantifiziert werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Sensor sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Sensors bereitzustellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Gemäß Ausführungsformen umfasst ein Sensor eine Anordnung von Sensorelementen. Die Sensorelemente weisen jeweils ein einzeln auslesbares Detektorelement und ein über dem Detektorelement angeordnetes Filterelement auf. Das Filterelement enthält ein erstes Verbindungshalbleitermaterial mit einem sich entlang einer vertikalen Richtung verändernden Zusammensetzungsverhältnis. Mindestens zwei Filterelemente weisen voneinander verschiedene Schichtdicken des ersten Verbindungshalbleitermaterials auf.
Gemäß Ausführungsformen umfasst der Sensor ferner ein Abdeckelement, das zwischen zwei benachbarten Filterelementen angeordnet ist. Beispielsweise kann das Abdeckelement einen Teil einer Oberfläche der Filterelemente bedeckt.
Gemäß Ausführungsformen umfasst der Sensor weiterhin eine Filterschicht über den Filterelementen.
Beispielsweise kann sich das Zusammensetzungsverhältnis des ersten Verbindungshalbleitermaterials kontinuierlich ändern. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann sich das Zusammensetzungsverhältnis stufenartig ändern.
Gemäß Ausführungsformen kann das Detektorelement in einem zweiten Verbindungshalbleitermaterial ausgebildet sein. Mindestens ein Zusammensetzungselement des zweiten Verbindungshalbleitermaterials kann eine Komponente des ersten Verbindungshalbleitermaterials sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Detektorelement in einem Halbleitermaterial ausgebildet sein, das von dem ersten Verbindungshalbleitermaterial verschieden ist.
Beispielsweise können mindestens zwei Detektorelemente identisch zueinander sein.
Gemäß Ausführungsformen kann eine Bandlücke des ersten Verbindungshalbleitermaterials mit zunehmendem Abstand von einer Oberfläche des zugehörigen Detektorelements abnehmen.
Gemäß Ausführungsformen kann das erste Verbindungshalbleitermaterialschicht zusätzlich Verunreinigungen, Gitterfehlstellen, Gitterdefekte oder ein Halbleitermaterial mit einer indirekten Bandlücke enthalten.
Gemäß Ausführungsformen kann auch der Sensor ferner eine transparente, isolierende Passivierungsschicht über der ersten Verbindungshalbleiterschicht aufweisen, wobei die Passivierungsschicht Verunreinigungen, Gitterfehlstellen, Gitterdefekte oder ein Halbleitermaterial mit einer indirekten Bandlücke enthält.
Weitere Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit einer Anordnung von Sensorelementen, die jeweils ein einzeln auslesbares Detektorelement und ein über einem zugehörigen Detektorelement angeordnetes Filterelement aufweisen. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer Vielzahl von Filterelementen, die jeweils ein erstes Verbindungshalbleitermaterial mit einem Bereich mit einem sich entlang einer vertikalen Richtung verändernden Zusammensetzungsverhältnis enthalten. Das Verfahren umfasst weiterhin das teilweise Entfernen des ersten Verbindungshalbleitermaterials mindestens eines Filterelements, so dass über mindestens zwei Detektorelementen voneinander verschiedene Schichtdicken des ersten Verbindungshalbleitermaterials erreicht werden.
Beispielsweise kann das Ausbilden der Vielzahl von Filterelementen das Aufbringen des ersten Verbindungshalbleitermaterials über der Anordnung von Sensorelementen umfassen. Anschließend kann das erste Verbindungshalbleitermaterial nach Aufbringen des ersten Verbindungshalbleitermaterials teilweise entfernt werden.
Gemäß Ausführungsformen können die Filterelemente nach dem teilweise Entfernen des ersten Verbindungshalbleitermaterials über den Detektorelementen aufgebracht werden.
Weitere Ausführungsformen betreffen eine elektronische Vorrichtung, die den Sensor wie vorstehend definiert umfasst.
Die elektronische Vorrichtung kann aus einem Erkundungssatelliten oder einer Analysevorrichtung ausgewählt sein.
Weitere Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors wie vorstehend definiert. Das Verfahren umfasst das Auslesen von Detektorsignalen mindestens zweier Sensorelemente, die jeweils unterschiedliche Schichtdicken des Filterelements aufweisen, und das Ermitteln eines spektralen Signals aus der Differenz der Detektorsignale.
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.

1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Sensors gemäß Ausführungsformen.
1B zeigt eine Ansicht einer Vorderseite eines Sensors gemäß Ausführungsformen.
1C zeigt eine Ansicht einer Rückseite eines Sensors gemäß Ausführungsformen.
1D veranschaulicht das Prinzip zur spektralen Auflösung der nachgewiesenen elektromagnetischen Strahlung.
2A zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors gemäß weiteren Ausführungsformen.
2B zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors gemäß weiteren Ausführungsformen.
2C zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors gemäß weiteren Ausführungsformen.
Die 3A bis 3C veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors gemäß Ausführungsformen.
Die 4A und 4B veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors gemäß weiteren Ausführungsformen.
5A zeigt ein Beispiel eines Sensors mit einer Steuerschaltung.
5B fasst ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors zusammen.
5C veranschaulicht eine elektronische Vorrichtung gemäß Ausführungsformen.
5D fasst ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zusammen.

In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN-Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.
Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, Al-GaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga₂O₃, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden“ eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.
Der Begriff „elektrisch verbunden“ umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.
1A zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 gemäß Ausführungsformen. Der Sensor umfasst eine Anordnung von Sensorelementen 100₁, 100₂ ... 100_n. Jedes der Sensorelemente 100_i umfasst ein einzeln auslesbares Detektorelement 105_i und ein über dem Detektorelement 105_i angeordnetes Filterelement 109_i. Das Filterelement 109_i weist ein erstes Verbindungshalbleitermaterial 135 mit einem Bereich 112 mit einem sich entlang einer vertikalen Richtung verändernden Zusammensetzungsverhältnis auf. Mindestens zwei Filterelemente 109_i, 109_i+1 weisen verschiedene Schichtdicken des Halbleitermaterials 135 auf.
Wie in 1A veranschaulicht ist, können die einzelnen Detektorelemente 105_i eine Halbleiterdiode aufweisen. Beispielsweise kann die Halbleiterdiode als PN- oder PIN-Diode ausgeführt sein. Das Detektorelement 105_i kann beispielsweise eine Halbleiterschicht 115 vom p-Typ, eine Halbleiterschicht 116 vom i-Typ sowie eine Halbleiterschicht 120 vom n-Typ aufweisen, die übereinander angeordnet sind. Die Halbleiterschicht 116 vom i-Typ kann weggelassen sein. Beispielsweise kann eine erste Zwischenschicht 123 zwischen einer Oberfläche der Halbleiterschicht 115 vom p-Typ und dem entsprechenden Filterelement 109_i angeordnet sein. Die erste Zwischenschicht 123 kann mehrere Schichten umfassen. Die erste Zwischenschicht 123 kann geeignete Schichten, beispielsweis Pufferschichten oder andere Schichten, aufweisen. Weiterhin kann eine zweite Zwischenschicht 125 angrenzend an eine freiliegende Oberfläche der Halbleiterschicht 120 vom n-Typ angeordnet sein. Die zweite Zwischenschicht 125 kann mehrere Schichten aufweisen. Die zweite Zwischenschicht 125 kann geeignete Übergitterstrukturen beispielsweise zur Anpassung von Gitterkonstanten oder zur Gitterkonstanten-Überphasung, Pufferschichten, stressvermindernde Schichtenfolgen und andere umfassen.
Ein p-Kontaktelement 114 ist elektrisch mit der Halbleiterschicht 115 vom p-Typ verbunden. Ein n-Kontaktelement 121 ist elektrisch mit der Halbleiterschicht 120 vom n-Typ verbunden. Beispielsweise können das p-Kontaktelement 114 und das n-Kontaktelement 121 von einer Rückseite des Sensors 10 kontaktierbar sein. Die einzelnen Detektorelemente 105_i sind jeweils einzeln über das p-Kontaktelement 114 und das n-Kontaktelement 121 ansteuerbar. Die Detektorelemente 105_i können jeweils einen identischen Aufbau haben.
Es ist selbstverständlich, dass der angegebene Aufbau der einzelnen Detektorelemente 105_i lediglich als Beispiel zu verstehen ist und die Detektorelemente 105_i in beliebig anderer Weise ausgeführt sein können.
Beispielsweise kann das Detektorelement 105_i in einem zweiten Verbindungshalbleitermaterial ausgebildet sein, wobei mindestens ein Zusammensetzungselement des zweiten Verbindungshalbleitermaterials eine Komponente des ersten Verbindungshalbleitermaterials 135 ist. Entsprechend können die Halbleiterschichten 115, 116, 120 beispielsweise das zweite Verbindungshalbleitermaterial aufweisen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann aber auch das Detektorelement 105_i in einem Halbleitermaterial ausgebildet sein, das von dem ersten Verbindungshalbleitermaterial 135 verschieden ist. Beispielsweise kann das Detektorelement 105_i in Silizium ausgebildet sein. Entsprechend können die Halbleiterschichten 115, 116, 120 auch Silizium enthalten oder aus Silizium bestehen.
Generell kann ein zweites Verbindungshalbleitermaterial oder Halbleitermaterial der Detektorelemente 105_i derart ausgewählt sein, dass die durch die Filterelemente 109_i selektiv durchgelassene elektromagnetische Strahlung nachweisbar ist. Durch die Auswahl kann die untere Nachweisgrenze festgelegt werden.
Wie in 1A veranschaulicht ist, weisen mindestens zwei der Filterelemente 109_i, 109_i+1 eine unterschiedliche Schichtdicke entlang einer vertikalen Richtung, beispielsweise der z-Richtung, auf. Beispielsweise können die Filterelemente 109_i jeweils einen Bereich 111 mit einem konstanten Zusammensetzungsverhältnis und einen Bereich 112 mit einem sich verändernden Zusammensetzungsverhältnis aufweisen.
Aufgrund des sich verändernden Zusammensetzungsverhältnisses variiert auch die Bandlücke und damit die durch das jeweilige Filterelement 109_i durchgelassene elektromagnetische Strahlung. Insbesondere nimmt eine Bandlücke des ersten Verbindungshalbleitermaterials 135 mit zunehmendem Abstand von einer Oberfläche des zugehörigen Detektorelements ab. Beispielsweise verändert sich das Zusammensetzungsverhältnis monoton, d.h. die Konzentration eines Bestandteils nimmt entlang der vertikalen Richtung monoton zu oder monoton ab. Als Ergebnis nimmt die Bandlücke des ersten Verbindungshalbleitermaterials mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des zugehörigen Detektorelements monoton ab.
Als Ergebnis absorbiert, bezogen auf 1A, das Filterelement 109₁ einen vergleichsweise kleinen Wellenlängenbereich im Vergleich zu dem Filterelement 109_n. Ein vergleichsweise großer Wellenlängenbereich oder Energiebereich wird durchgelassen und von dem Detektorelement 105₁ detektiert. Das Filterelement 109_n hingegeben absorbiert einen vergleichsweise großen Wellenlängenbereich. Entsprechen wird nur ein kleiner Wellenlängenbereich oder Energiebereich durchgelassen und von dem Detektorelement 105_n detektiert. Der von dem Filterelement 109_n durchgelassene Wellenlängenbereich ist der höherwellige Bereich mit niedrigerer Energie in Bezug auf den breiten Wellenlängenbereich, der von dem Filterelement 109₁ durchgelassen wird.
Dies wird unter Bezugnahme auf 1D näher erläutert werden.
1B zeigt eine Draufsicht auf eine Oberseite des Sensors 10. Wie zu sehen ist, können die einzelnen Filterelemente 109_i jeweils in Reihen und Spalten angeordnet sein. Dabei kann beispielsweise innerhalb einer Spalte die Schichtdicke der ersten Verbindungshalbleiterschicht 135 jeweils identisch sein und entlang einer Reihenrichtung zu- oder abnehmen.
1C zeigt eine Ansicht auf eine Unterseite des Sensors. Wie zu sehen ist, ist eine Vielzahl von p-Kontaktelementen 114 und n-Kontaktelementen 121 in Reihen und Spalten angeordnet. Durch Kontaktieren und Ansteuern der entsprechenden p-Kontaktelemente 114 und n-Kontaktelemente 121 können einzelne Sensorelemente 100_i gezielt angesprochen werden.
Wie in 1A gezeigt worden ist, variiert die Schichtdicke der ersten Verbindungshalbleiterschicht 135 unter den Filterelementen 109₁. Beispiele für geeignete Verbindungshalbleitermaterialien umfassen Al_xGa_1-xAs. Beispielsweise kann x in einem Bereich von 0,4 bis 0,05 variieren. Beispielsweise kann x in vertikaler Richtung abnehmen, so dass Bereiche in der Nähe einer Oberfläche der Detektorelemente einen höheren Al-Gehalt aufweisen als Bereiche mit größerer Entfernung der Oberfläche der Detektorelemente. Al_xGa_1-xAs weist eine weitgehend zusammensetzungsverhältnisunabhängige Gitterkonstante auf. Entsprechend kann Al_xGa_1-xAs mit unterschiedlichem Zusammensetzungsverhältnis weitgehend verspannungsfrei ausgebildet werden. Gemäß Ausführungsformen kann das zweite Verbindungshalbleitermaterial GaAs enthalten. Entsprechend können die Detektorelemente 105_i elektromagnetische Strahlung mit einer Energie größer als 1,4 eV nachweisen.
Dadurch, dass wie in 1A gezeigt, das Detektorelement 109_n einen großen Bandlückenbereich abdeckt, wird nur elektromagnetische Strahlung mit einer Energie, die größer als die größte Bandlücke des ersten Verbindungshalbleitermaterials 135 ist, durch das Filterelement 109_n durchgelassen und sodann von dem Detektorelement 105_n detektiert werden. Umgekehrt wird von dem Filterelement 109₁ ein großer Wellenlängenbereich durchgelassen und durch das Detektorelement 105₁ detektiert. Von einem dazwischenliegenden Filterelement 109_i wird ein dazwischenliegender Wellenlängenbereich durchgelassen und durch das Detektorelement 105_i detektiert.
1D zeigt Beispiele für gemessene Intensitäten von elektromagnetischer Strahlung an den einzelnen Detektorelementen 105₁, 105₂, 105_i, 105_i+1, ... 105_n-1, 105_n. Ein Beispiel einer aufzulösenden Intensitätsverteilung ist in dem Einsatzbild rechts oben dargestellt, zusammen mit Absorptionskoeffizienten für unterschiedliche Zusammensetzungsverhältnisse des ersten Verbindungshalbleitermaterials.
Das Minimum der nachgewiesenen Intensität am Detektorelement i entspricht beispielsweise dem Intensitätsminimum der nachzuweisenden Strahlung. Wie in 1D zu erkennen ist, ergibt sich beispielsweise durch einen direkten Vergleich der Intensitätssignale benachbarter Detektorelemente 105_i+1, 105_i die Intensität im Bereich i. Genauer gesagt kann durch den Vergleich der Intensitäten in benachbarten Detektorelementen ein Rückschluss auf den Intensitätsbeitrag des Spektrums in dem entsprechenden Intervall gezogen werden. Durch ein pixelfeines Abtragen kann eingestellt werden, welche Energien von der Pixelschicht noch herausgefiltert oder absorbiert werden und nicht auf das zugehörige Detektorelement 105_i treffen.
Das Filtermaterial kann beliebige Verbindungshalbleitermaterialien aufweisen, deren Bandlücke durch Veränderung des Zusammensetzungsverhältnisses variierbar ist. Weitere Beispiele für geeignete Materialsystem umfassen In_xAlyGa_100-x-_yN, In_xGa_100-xAs_y P_100-y oder In_xGA_100-xAs_y SB_100-y. Beispielsweise kann ein Materialsystem ausgewählt werden, bei dem sich die Gitterkonstante nur geringfügig mit Änderung des Zusammensetzungsverhältnisses ändert.
2A zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. Der Sensor 10 weist identische oder ähnliche Bestandteile wie der in 1A gezeigte Sensor auf. Zusätzlich ist ein Abdeckelement oder eine Maskenschicht 128 am Rande eines jeden Filterelements 109_i vorgesehen. Das Abdeckelement 128 bedeckt die Seitenflanken. Das Abdeckelement 128 kann weiterhin einen Teil der Oberfläche im Randbereich eines jeden Filterelements 109_i bedecken. Das Abdeckelement 128 kann beispielsweise ein nicht lichtdurchlässiges Material bzw. ein Material, das für die einfallende elektromagnetische Strahlung nicht transparent ist, aufweisen. Spezifische Beispiele umfassen beispielsweise beliebige Metalle oder auch Polymere, beispielsweise Silikon, die geeignete Additive, beispielsweise Rußpartikel enthalten können, gegebenenfalls mit einer passivierenden, beispielsweise isolierenden Zwischenschicht. Durch das Abdeckelement 128 kann ein Nebensprechen zwischen benachbarten Sensorelementen 100i verringert werden.
2B zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors gemäß weiteren Ausführungsformen. Zusätzlich zu Elementen, die in den 1A oder 2A gezeigt sind, ist eine Filterschicht 131 über den Filterelementen 109_i angeordnet. Beispielsweise kann die Filterschicht 131 einen Bandpassfilter aufweisen, der den nichtrelevanten Anteil am Spektrum herausfiltern kann. Als Ergebnis kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis erhöht werden. Beispielsweise kann die Filterschicht als dielektrischer Spiegel realisiert sein oder ein anderes Halbleitermaterial, beispielsweise mit einer größeren Bandlücke, die beispielsweise größer als 3 eV sein kann, aufweisen. Die Filterschicht 131 kann für alle Sensorelemente 100₁, 100₂, ...100_n identisch sein.
Weiterhin kann eine Passivierungsschicht über den Filterelementen 109_i angeordnet sein. Die Passivierungsschicht 130 kann beispielsweise SiO₂, SiN oder ein anderes Material, welches für die einfallende elektromagnetische Strahlung transparent ist, aufweisen. Durch die Passivierungsschicht kann beispielsweise oxidativer Stress reduziert werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen können in der Passivierungsschicht oder ersten Verbindungshalbleitermaterialschicht Verunreinigungen, Gitterfehlstellen oder Gitterdefekte eingebaut sein. Beispielsweise kann eine Konzentration von Gitterfehlstellen oder Gitterdefekte in einer Größenordnung von 10^-8 bis 10^-9 enthalten sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auch ein Halbleitermaterial mit einer indirekten Bandlücke, beispielsweise Silizium, eingebaut sein. Durch die Verunreinigungen, Gitterdefekte oder das Halbleitermaterial mit indirekter Bandlücke wird eine nichtstrahlende Rekombination der in dem Filterelement 109_i erzeugten Ladungsträger erleichtert. Die Passivierungsschicht kann beispielsweise eine Schichtdicke von größer als 50 nm haben. Beispielsweise kann die Schichtdicke kleiner als etwa 3 µm sein. Beispielsweise kann die Schichtdicke wenige 100 nm betragen.
Gemäß Ausführungsformen kann sich die Zusammensetzung des ersten Verbindungshalbleitermaterials 135 kontinuierlich verändern. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann sich die Zusammensetzung jedoch auch stufenweise verändern. Beispielsweise kann jedes der Filterelemente 109_i eine Vielzahl von Unterschichten 133₁, ... 133_n aufweisen, die jeweils ein unterschiedliches Zusammensetzungsverhältnis aufweisen. Beispielsweise kann sich das Zusammensetzungsverhältnis von Unterschicht zu Unterschicht monoton in einer vertikalen Richtung ändern, d.h. kann der Anteil eines Bestandteils von Unterschicht zu Unterschicht ausschließlich zu- nicht aber abnehmen. Bei dieser Ausgestaltung ist das Zusammensetzungsverhältnis innerhalb einer Unterschicht konstant. Als Ergebnis kann beispielsweise auch die Gitterkonstante des ersten Verbindungshalbleitermaterials konstant sein. Durch eine geeignete Auswahl von entsprechenden Materialbereichen, beispielsweise vier bis fünf Materialbereichen, lassen sich somit auch die einzelnen Bereiche mit nahezu konstanter Gitterkonstante abdecken. Als Ergebnis ist ein verspannungsfreies und damit beliebig dickes Schichtwachstum möglich.
Wie nachfolgend erklärt werden wird, wird die jeweils unterschiedliche Schichtdicke der ersten Verbindungshalbleiterschicht 135 beispielsweise durch Rückätzen erzielt. In diesem Fall kann ein Ätzverfahren gewählt werden, bei dem die Ätzrate stark materialkompositionsabhängig ist.
Die 3A bis 3C veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung des Sensors gemäß Ausführungsformen. Beispielsweise können zunächst die Detektorelemente 105_i in einem geeigneten Materialsystem ausgebildet werden. 3A zeigt eine Querschnittsansicht der fertiggestellten Detektorelemente 105_i. Sodann wird eine erste Verbindungshalbleitermaterialschicht 135 mit einem sich in vertikaler Richtung ändernden Zusammensetzungsverhältnis aufgebracht. Wie unter Bezugnahme auf 2C erläutert worden ist, kann sich die Zusammensetzung der ersten Verbindungshalbleiterschicht 135 kontinuierlich ändern oder aber schrittweise.
Das Zusammensetzungsverhältnis ändert sich derart, dass die Bandlücke mit zunehmendem Abstand von einer Oberfläche der Detektorelemente 105_i abnimmt. Beispielsweise kann das erste Verbindungshalbleitermaterial derart ausgewählt sein, dass in Folge der Änderung des Zusammensetzungsverhältnisses die Gitterkonstante konstant bleibt. 3B zeigt ein Beispiel eines sich ergebenden Werkstücks.
Nachfolgend wird ein Ätzverfahren durchgeführt, wobei unterschiedliche Bereiche der ersten Verbindungshalbleitermaterialschicht 135 unterschiedlich tief geätzt werden. Beispielsweise kann sich das in 3C gezeigte Stufenprofil ergeben. Nachfolgend können beispielsweise die einzelnen Filterelemente 109_i durch Ätzen voneinander getrennt werden, so dass sich die in 1A oder 2A gezeigte Struktur ergibt.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können auch, wie in 4A dargestellt, die einzelnen Filterelemente 109_i auf einem separaten Träger 137 ausgebildet werden. Beispielsweise kann dies erfolgen, indem eine erste Verbindungshalbleiterschicht 135 über dem Träger 137 ausgebildet und sodann zurückgeätzt wird. Anschließend kann, wie weiterhin in 4A dargestellt ist, der Träger 137 mit den Filterelementen 109_i mit einer Anordnung von Detektorelementen 105_i verbunden werden.
Als Ergebnis kann sich die in 4B gezeigte Anordnung ergeben. Beispielsweise kann diese Vorgehensweise günstig sein, wenn für die Filterelemente 109_i und die Detektorelemente 105_i unterschiedliche Materialsysteme verwendet werden.
5A zeigt ein Beispiel eines Sensors 10 mit verschiedenen Sensorbereichen 11₁, 11₂, 11₃. Die Sensorbereiche enthalten jeweils Anordnungen von Sensorelementen, bei denen die einzelnen Filter auf unterschiedlichen Materialsystemen basieren. Durch eine geschickte Kombination unterschiedlicher Materialsysteme lässt sich ein großer Energiebereich in einem Bereich von <0,5 eV bis >3 eV abdecken, also der NIR- bis N-UV-Bereich. Wie in 5A weiterhin gezeigt ist, können innerhalb jedes einzelnen Sensorbereichs 11₁, 11₂, 11₃ die Filterelemente eine unterschiedliche Schichtdicke aufweisen. 5A veranschaulicht weiterhin eine Ansteuerlogik 139 zum Ansteuern der jeweiligen Detektorelemente 105_i und zum Auslesen.
Durch den speziellen Aufbau der einzelnen Filterelemente ist es möglich, die Absorptionseigenschaften eines Sensors in einem breiten Bereich durchzustimmen. Insbesondere, wenn sich das Zusammensetzungsverhältnis innerhalb der ersten Verbindungshalbleiterschicht kontinuierlich verändert, können die Absorptions- bzw. Detektionskanten kontinuierlich durchgestimmt werden. Als Ergebnis ergibt sich eine breite Variabilität in der Abstimmung der voneinander zu trennenden Nachweis-Wellenlängenbereiche. Durch den Aufbau des Sensors wird das eingesammelte Licht effizienter genutzt als bei herkömmlichen Sensoren. Insbesondere wird durch den Filterbereich jeweils der Anteil des Spektrums, der durch den zugehörigen Detektorbereich nicht erfasst werden soll, herausgefiltert. Ein Vergleich von nachgewiesenen Intensitäten lässt einen Rückschluss auf den Spektrumsanteil zu. Entsprechend wird ein höherer Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung dem Sensor zugeführt und somit nicht gefiltert.
5B fasst ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit einer Anordnung von Sensorelementen, die jeweils ein einzeln auslesbares Detektorelement und ein über einem zugehörigen Detektorelement angeordnetes Filterelement aufweisen, zusammen. Das Verfahren umfasst das Ausbilden (S100) einer Vielzahl von Filterelementen, die jeweils ein erstes Verbindungshalbleitermaterial mit einem sich entlang einer vertikalen Richtung verändernden Zusammensetzungsverhältnis enthalten, und das Entfernen (S110) eines Teils des ersten Verbindungshalbleitermaterials mindestens eines Filterelements, so dass über mindestens zwei Detektorelementen voneinander verschiedene Schichtdicken des ersten Verbindungshalbleitermaterials erreicht werden.
5C zeigt eine elektronische Vorrichtung 15, die den Sensor 10 wie vorstehend beschrieben umfasst. Die elektronische Vorrichtung 15 kann beispielsweise ausgewählt sein aus einem Erkundungssatelliten, der geeignet ist, eine Oberflächenbestimmung (Erde, Vegetation, Wasser u.a.) vorzunehmen, natürliche Ressourcen zu erkunden, meteorologische Vorhersagen zu machen. Weitere Beispiele für die elektronische Vorrichtung 15 umfassen eine Analysevorrichtung, beispielsweise für biomedizinische Anwendungen, beispielsweise zur Untersuchung von (Haut-)verbrennungen, von Dokumenten, Kunstwerken oder zur Wachstumskontrolle von Pflanzen im Horticulture Bereich oder generell im militärischen Bereich.
5D fasst ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors wie vorstehend beschrieben zusammen. Das Verfahren umfasst das Auslesen (S200) von Detektorsignalen mindestens zweier Sensorelemente, die jeweils unterschiedliche Schichtdicken des Filterelements aufweisen, und das Ermitteln (S210) eines spektralen Signals aus der Differenz der Detektorsignale.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: Sensor
111, 112,113: Sensorbereich
15: elektronische Vorrichtung
1001, 1002, ... 100i, ... 100n: Sensorelement
1051, 1052, ... 105i, ... 105n: Detektorelement
1092, ... 1091, ... 109n: Filterelement
111: Bereich mit konstantem Zusammensetzungsverhältnis
112: Bereich mit sich veränderndem Zusammensetzungsverhältnis
114: p-Kontaktelement
115: Halbleiterschicht vom p-Typ
116: Halbleiterschicht vom i-Typ
120: Halbleiterschicht vom n-Typ
121: n-Kontaktelement
123: erste Zwischenschicht
125: zweite Zwischenschicht
128: Abdeckelement
130: Passivierungsschicht
131: Filterschicht
1331, 1332, ... 133i, .. 133n: Unterschicht
135: erstes Verbindungshalbleitermaterial
137: Träger
139: Ansteuerlogik
140: Auswerteschnittstelle

Claims

Sensor (10), der eine Anordnung von Sensorelementen (100₁, 100₂, ... 100_n) umfasst, die jeweils ein einzeln auslesbares Detektorelement (105₁, 105₂, ... 105_n) und ein über dem Detektorelement angeordnetes Filterelement (109₁, 109₂, ... 109_n) aufweisen, wobei das Filterelement (109₁, 109₂, ... 109_n) ein erstes Verbindungshalbleitermaterial (135) mit einem sich entlang einer vertikalen Richtung verändernden Zusammensetzungsverhältnis enthält, wobei mindestens zwei Filterelemente (109₁, 109₂, ... 109_n) voneinander verschiedene Schichtdicken des ersten Verbindungshalbleitermaterials (135) aufweisen.
Sensor (10) nach Anspruch 1, ferner mit einem Abdeckelement (128), das zwischen zwei benachbarten Filterelementen (109₁, 109₂, ... 109_n) angeordnet ist.
Sensor (10) nach Anspruch 2, wobei das Abdeckelement (128) einen Teil einer Oberfläche der Filterelemente (109₁, 109₂, ... 109_n) bedeckt.
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Filterschicht (131) über den Filterelementen (109₁, 109₂, ... 109_n).
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das Zusammensetzungsverhältnis kontinuierlich ändert.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich das Zusammensetzungsverhältnis stufenartig ändert.
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Detektorelement (105₁, 105₂, ... 105_n) in einem zweiten Verbindungshalbleitermaterial ausgebildet ist und mindestens ein Zusammensetzungselement des zweiten Verbindungshalbleitermaterials eine Komponente des ersten Verbindungshalbleitermaterials (135) ist.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Detektorelement (105₁, 105₂, ... 105_n) in einem Halbleitermaterial ausgebildet ist, das von dem ersten Verbindungshalbleitermaterial (135) verschieden ist.
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Detektorelemente (105₁, 105₂, ... 105_n) identisch sind.
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Bandlücke des ersten Verbindungshalbleitermaterials (135) mit zunehmendem Abstand von einer Oberfläche des zugehörigen Detektorelements (105₁, 105₂, ... 105_n) abnimmt.
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Verbindungshalbleitermaterialschicht zusätzlich Verunreinigungen, Gitterfehlstellen, Gitterdefekte oder ein Halbleitermaterial mit einer indirekten Bandlücke enthält.
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer transparenten, isolierenden Passivierungsschicht über der ersten Verbindungshalbleiterschicht, wobei die Passivierungsschicht Verunreinigungen, Gitterfehlstellen, Gitterdefekte oder ein Halbleitermaterial mit einer indirekten Bandlücke enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors (10) mit einer Anordnung von Sensorelementen (100₁, 100₂, ... 100_n), die jeweils ein einzeln auslesbares Detektorelement (105₁, 105₂, ... 105_n) und ein über einem zugehörigen Detektorelement (105₁, 105₂, ... 105_n) angeordnetes Filterelement (109₁, 109₂, ... 109_n) aufweisen, umfassend: Ausbilden (S100) einer Vielzahl von Filterelementen (109₁, 109₂, ... 109_n), die jeweils ein erstes Verbindungshalbleitermaterial (135) mit einem sich entlang einer vertikalen Richtung verändernden Zusammensetzungsverhältnis enthalten, Entfernen (S110) eines Teils des ersten Verbindungshalbleitermaterials (135) mindestens eines Filterelements (109₁, 109₂, ... 109_n), so dass über mindestens zwei Detektorelementen (105₁, 105₂, ... 105_n) voneinander verschiedene Schichtdicken des ersten Verbindungshalbleitermaterials (135) erreicht werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ausbilden der Vielzahl von Filterelementen (109₁, 109₂, ... 109_n) das Aufbringen eines ersten Verbindungshalbleitermaterials (135) über der Anordnung von Sensorelementen (100₁, 100₂, ... 100_n) umfasst, und der Teil des ersten Verbindungshalbleitermaterial (135) nach Aufbringen des ersten Verbindungshalbleitermaterials (135) über der Anordnung von Sensorelementen (100₁, 100₂, ... 100_n) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Filterelemente (109₁, 109₂, ... 109_n) nach Entfernen des Teils des ersten Verbindungshalbleitermaterials (135) über den Detektorelementen (105₁, 105₂, ... 105_n) aufgebracht werden.
Elektronische Vorrichtung (15), die den Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 umfasst.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 16, die ausgewählt ist aus einem Erkundungssatelliten oder einer Analysevorrichtung.
Verfahren zum Betreiben eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend: Auslesen (S200) von Detektorsignalen mindestens zweier Sensorelemente (100₁, 100₂, ... 100_n), die jeweils unterschiedliche Schichtdicken des Filterelements (109₁, 109₂, ... 109_n) aufweisen; und Ermitteln (S210) eines spektralen Signals aus der Differenz der Detektorsignale.