EP1151479A2 - Optischer detektor mit einer filterschicht aus porösem silizium und herstellungsverfahren dazu - Google Patents
Optischer detektor mit einer filterschicht aus porösem silizium und herstellungsverfahren dazuInfo
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Abstract
Ein optischer Detektor auf Siliziumbasis mit einer porösen Filterschicht mit lateral veränderlicher Filterwirkung umfaßt eine Mehrzahl von Photoempfänger-Kontakten, die integriert ausgebildet sind und ein Verfahren zur Herstellung eines optisches Detektors durch Aufbringen einer Isolationsschicht auf die poröse Filterschicht unter Freihaltung aktiver Filterflächen.
Description
Optischer Detektor mit einer Filterschicht aus porösem Silizium und Herstellungsverfahren dazu
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Detektor mit einer Filterschicht aus porösem Silizium mit lateral veränderlicher Filterwirkung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optischen Detektors gemäß Oberbegriff von Anspruch 9.
Zur spektralen Auflösung von Licht sind bereits viele Verfahren bekannt. Als Beispiele Können die Brechung in einem Prisma, die Beugung an einem Liniengitter oder die wellenlängenabhängige Reflektion oder Transmission an dielektrischen Fil- terschichten (z. B. Bragg-Reflektor, Fabry-Perot-Filter) genannt werden. Eine einfache und preisgünstige Methode zur Herstellung von dielektrischen Filtern ist die Erzeugung von Übergittern aus porösem Silizium. Das Ausgangsmaterial Silizium bietet gleichzeitig die Möglichkeit zur Erzeugung von Photoempfängern (z. B. Photowiderstände, Photodioden).
Soweit Photodetektoren auf Halbleiterbasis, der Einsatz von Übergittern aus porösem Silizium und die Herstellung von lateralen Verlaufsfiltern aus porösem Silizium bekannt ist, ha- ben bisher alle bekannten Detektoren den Nachteil, daß sie kaum variierbar sind. Es sind mit den bekannten Verfahren nur Detektoren herstellbar, die in einem dieser Verfahren festgelegten Wellenlängenbereich einsetzbar sind. Ferner wird nicht die gesamte Filterschicht zur Detektion genutzt oder können einzelne Wellenlängenbereiche nicht gänzlich voneinander entkoppelt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen optischen Detektor zu schaffen, der sehr einfach und kostengün- stig hergestellt werden kann und variabel ist. Ferner soll ein Herstellungsverfahren für einen solchen optischen Detektor geschaffen werden, mit welchem die Filtereigenschaften, daß heißt, die Variabilität des Detektors, auf einfache Weise eingestellt werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen optischen Detektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Herstellungsverfahren mit den kennzeichnenden Merk- malen des Anspruchs 9 gelöst.
Durch die integrierte Ausbildung können unter Verwendung nur einer einzigen Lithographie Kontaktflächen und aktive Filtergebiete vorbestimmt werden.
Gemäß Anspruch 2 ist es von Vorteil, daß die Kontakte quer zur Filterschicht angeordnet sind, da dadurch einzelne nebeneinanderliegenden Detektoren fast gänzlich voneinander entkoppelt sind. Dadurch verringert sich allerdings die Filter- fläche.
Gemäß Anspruch 3 ist es zum Erhalt einer großen Filterfläche daher von Vorteil, daß die Kontakte an den Seiten der Filterschicht angebracht sind. Dadurch kann die gesamte Filter- schicht für die Detektion genutzt werden, wobei dann allerdings die einzelnen Wellenlängenbereiche nicht gänzlich voneinander entkoppelt werden können.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche 4 bis 8 sowie 11 bis 16.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen optischen Detektor mit einer ersten Kontaktgeometrie zur optimalen Entkopplung;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf einen Detektor mit einer zweiten Kontaktgeometrie für eine optimale Flächenausnutzung;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf ein Spektroskop mit einem optischen Detektor gemäß vorliegender Erfindung;
Fig. 4a, b, c, d eine schematische Darstellung eines Herstellungsschrittes im Schnitt und in Aufsicht eines Herstellungsverfahrens .
In Fig. 1 ist die Draufsicht eines optischen Detektors 1 mit einem Substrat 1.1 und quer zu einer Filterschicht 3 aus porösem Silizium angeordneten Kontakten 5. Durch das Anbringen der Kontakte 5 quer zur Filterschicht 3 werden einzelne, ne- beneinanderliegende Detektoren 1 fast gänzlich voneinander entkoppelt. Allerdings erfolgt dies auf Kosten eines Teils der Filterfläche der Filterschicht 3.
In Fig. 2 ist schematisch eine Draufsicht des optischen De- tektors 1 bei optimaler Flächenausnutzung dargestellt. Die Kontakte 5 sind in dieser Ausführungsform seitlich der Filterschicht 3 angeordnet. Dadurch wird die gesamte Filterschicht 3 für die Detektion genutzt. Allerdings können die einzelnen Wellenlängenbereiche nicht gänzlich voneinander entkoppelt werden.
Grundsätzlich gilt, daß die Verwendung von einigen wenigen Kontakten 5 zu einem Detektor 1 bzw. einer Gruppe von Detektoren 1 mit breitem Wellenlängenbereich (z. B. für einen Dreifarbensensor) führt. Dagegen führen viele Kontakte 5 zu einem Detektor 1 bzw. einer Gruppe von Detektoren 1 mit scharfer spektraler Auflösung.
Die Kontakte 5 können als oh sche Kontakte ausgebildet sein und ergeben dann Photodetektoren in Form von Photowiderständen, mit der den Photowiderständen eigenen inneren Verstärkung aber auch mit relativ großen Dunkelströmen. Die Kontakte 5 können daher auch als Schottkykontakte ausgebildet sein, wodurch die Dunkelströme sehr stark erniedrigt werden. Aller- dings ergibt sich dann keine innere Verstärkung, so daß die Dotierung des Siliziums sehr niedrig sein muß, damit sich eine Raumladungszone der Schottkykontakte wesentlich unter die Filterschicht 3 ausdehnt. Durch eine Kontradotierung des Siliziums vor einer Metallisierung der Kontakte 5 lassen sich
auch pn-Übergänge realisieren, z. B. zur weiteren Erniedrigung des Dunke1Stroms.
Der Dunkelstrom des erfindungsgemäßen optischen Detektors 1 mit Photowiderständen kann auch dadurch erniedrigt werden, daß die Dicke der Photowiderstandsschicht (Substrat 1.1) möglichst klein gewählt wird. Dies kann z. B. bei der Herstellung mit amorphen Silizium oder Polysilizium durch Wahl eines möglichst hochohmigen Trägermaterials (Substrats) und hochohmigen, dünnen Siliziumschichten (Filterschichten) erreicht werden. Bei einkristallinem Silizium sollte ebenfalls möglichst hochohmiges Material genutzt werden. Eine dünne Photowiderstandsschicht kann die durch die Benutzung von sehr dünnen Wafern oder durch die Benutzung einer Isolations- schicht Schicht im Inneren des Wafers erreicht werden. Als eine Isolationsschicht kommt z. B. Si02 ("SIMOX" oder "BESOI" ) oder ein pn-Übergang in Frage.
In Fig. 3 ist schematisch eine Draufsicht eines fertigge- stellten Spektroskops mit einer Kontaktgeometrie gemäß Fig. 1 und der Isolationsschicht 7 dargestellt.
Der optische Detektor 1 bzw. ein solches dielektrisches Filter, wird durch anodisches Ätzen aus porösem Silizium herge- stellt. Die ortsabhängige spektrale Empfindlichkeit wird erzeugt durch das Anlegen eines Querstromes während des Ätzvorganges .
Anschließend wird das poröse Silizium an vorbestimmten Stel- len weggeätzt. An diesen Stellen werden die ohmschen Kontakte 5 oder Schottky-Kontakte 5 aufgebracht. Durch geeignete Anordnung der Kontakte 5 entstehen Photowiderstände bzw. Metall-Halbleiter-Metall (MSM) -Dioden, bei welchen als photoempfindliche Schicht das nicht-porosidierte Silizium unter- halb der porösen Filterschicht 3 dient. Wegen der ortsabhängigen spektralen Transmission des Filters ergibt sich auch eine ortsabhängige spektrale Empfindlichkeit der Photodetektoren.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird zunächst eine Filterstruktur durch anodisches Ätzen einer Scheibe aus einkristallinem Silizium 1.1 erzeugt, bzw. eine Schicht aus amorphem oder polykristallinem Silizium (Fig. 4a). Durch Ein- prägen eines zusätzlichen Stromes längs der Oberfläche entsteht eine ortsabhängige Filterwirkung.
Anschließend wird die Isolationsschicht 7 (z. B. Si02, Si3N4, Polyi id, Kunststoffolie, u.s.w.) auf die Probe aufgetragen. Dabei bleibt ein Streifen in der Mitte der Probe frei, welche nachher als Filterschicht 3 dient (Fig. 4b) . Das Auftragen der Isolierschicht 7 kann z. B. in einer Aufdampf- oder Sput- teranlage erfolgen, wobei die Strukturierung mittels einer Schattenmaske (nicht dargestellt) erfolgen kann.
Daraufhin wird Photolack 9 auf die Probe aufgetragen. Zur Vermeidung des Eindringens von Photolack 9 in die Poren des porösen Siliziums der Filterschicht 3 kann vorher eine Schutzschicht (nicht dargestellt), z. B. aus Titan aufge- bracht werden.
Der Photolack 9 wird mit den Strukturen der zukünftigen Kontakte 5 belichtet. Der Lack wird entwickelt (Fig. 4c).
Anschließend wird das poröse Silizium der Filterschicht 3 mit dem Photolack 9 als Maske geätzt, z. B. durch REAKTIVES IONEN-ÄTZEN. Die Schutzschicht (nicht dargestellt) wird mitgeätzt, und die bereits aufgebrachte Isolationsschicht 7 wird nicht oder nur zum Teil angegriffen (Fig. 4d) .
Dann wird das Kontaktmaterial aufgetragen. Der Photolack 9 und das darauf liegende Kontaktmaterial wird entfernt (Lift- Off-Verfahren) . Die Schutzschicht (nicht dargestellt) wird weggeätzt. Als Ergebnis liegt dann der optische Detektor 1 als fertiggestelltes Spektroskop aus Fig. 3 vor.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hat den Vorteil, daß nur eine Lithographie benötigt wird. Außerdem wird das Kontaktmaterial selbstjustierend nur auf die geätzten Gebiete
aufgetragen. Als aktive Filtergebiete können Bereiche aus der Mitte der hergestellten Schicht aus porösem Silizium verwendet werden, das heißt, im Gegensatz zu anderen Verfahren können Randzonen mit unerwünschten Randeffekten vermieden wer- den.
Im folgenden werden noch einmal die wesentlichen Merkmale des Erfindungsgegenstandes zusammengefaßt dargestellt:
1. Optischer Detektor 1 auf der Basis von Silizium, welcher aus mehreren Photodetektoren unterhalb einer Filterschicht 3 aus porösem Silizium besteht, welcher eine ortsabhängige Filterwirkung hat.
2. Optischer Detektor 1, bei welchem das Silizium einkristallin oder polykristallin oder amorph ist.
3. Optischer Detektor 1, bei welchem die ortsabhängige Filterwirkung während der Herstellung des porösen Siliziums der Filterschicht 3 durch einen zusätzlichen Strom durch das Silizium quer zum Ätzstrom oder allgemein durch einen ungleichförmigen Ätzstrom erzeugt wird.
4. Optischer Detektor 1, bei welchem die ortsabhängige Fil- terwirkung durch eine geeignete Form der Ätzzelle oder einer
Ätzmaske auf dem Silizium erzeugt wird.
5. Optischer Detektor 1, bei welchem die Photodetektoren als Photowiderstände oder als Metall-Halbleiter-Metall-Dioden oder aus p-n-p (bzw. n-p-n)-Dioden oder aus Kombinationen davon ausgelegt sind und bei denen die Photodetektion im wesentlichen im Material unter der Filterschicht 3 stattfindet.
6. Optischer Detektor 1 , bei welchem Größe und Form der ein- zelnen Kontakte 5 und Filterflächen so ausgelegt sind, daß ein gewünschtes Verhalten von spektraler Empfindlichkeit der Einzeldetektoren erreicht wird.
7. Herstellungsverfahren für einen optischen Detektor 1, bei welchem eine Probe aus amorphem oder polykristallinem oder einkristallinem Silizium mit oder ohne isolierender Zwischenschicht 7 und eine Filterschicht 3 aus porösem Silizium mit ortsabhängiger Filterwirkung hergestellt wird. Diese ortsabhängige spektrale Filterwirkung kann durch eine ungleichförmige Ätzstromdichte, z. B. durch Einprägen eines Querstromes oder durch eine geeignete geformte Ätzfläche oder ungleichförmiges Belichten während oder nach dem Ätzen erreicht wer- den.
8. Herstellungsverfahren für einen optischen Detektor 1 , bei welchem nach der Herstellung der porösen Filterschicht 3 diese Schicht mit einer Isolationsschicht 7 bedeckt wird. Die spätere aktive Filterschicht 3 wird wieder von der Isolationsschicht 7 befreit oder erst gar nicht davon bedeckt (z. B. durch Verwendung einer Scheibenmaske) .
9. Herstellungsverfahren für einen optischen Detektor 1, bei welchem die Oberfläche nach dem Aufbringen der Isolationsschicht 7 mit einer Schicht aus Photolack 9 und eventuell einer darunterliegenden Schutzschicht, z. B. aus Titan, bedeckt wird. Anschließend werden die Kontakteflächen durch Photolithographie definiert, und der Photolack 9 wird an diesen Stellen weggeätzt. Der übrigbleibende Photolack 9 dient als Maske für die nachfolgende Ätzung. Als Alternative kann jedes andere Verfahren zum Aufbringen einer Ätzmaske verwendet werden (z. B. Aufkleben einer Folie, Siebdruck u.s.w.).
10. Herstellungsverfahren für einen optischen Detektor 1, bei welchem das poröse Silizium der Filterschicht 3 durch die Ätzmaske aus Photolack 9 (oder einem anderen Material) naßchemisch oder trockenchemisch (z. B. reaktives Ionenätzen) oder durch Sputtern weggeätzt wird. Die Isolationsschicht 7 wird dabei, soweit sie nicht von der Ätzmaske geschützt wird, nur teilweise oder gar nicht geätzt.
11. Herstellungsverfahren für einen optischen Detektor 1, bei welchem im Anschluß an das Ätzen die Probe metallisiert wird.
Im Anschluß an die Metallisierung wird die Ätzmaske entfernt, so daß das aufgebrachte Metall durch Lift-Off strukturiert wird. Durch dieses Verfahren wird nur eine Lithographie benötigt, und die Kontakte werden selbstjustierend nur auf die weggeätzten porösen Silizium-Stellen angebracht. Die Metallflächen auf der Isolationsschicht 7 können als Bond- und Kontaktflächen genutzt werden. Die Isolationsschicht 7 dient zum einen als Schutz vor dem Ätzen der darunterliegenden porösen Siliziumschichten der Filterschicht 3 und als mechanischer Schutz beim Kontaktieren, zum anderen werden größere Leckströme beim Kontaktieren auf nicht-porosidierten Material vermieden. Durch die Isolationsschicht 7 kann die aktive Detektorfläche in Bereiche mit definiertem Filter gelegt werden, Randbereiche beim Herstellen des porösen Siliziums kön- nen vermieden werden. Durch Ionenimplantation vor der Metallisierung mit Ausnutzen der Ätzmaske als Implantationsmaske kann der Kontakt 5 modifiziert werden. Durch Erhöhung der Dotierung können die Kontaktwiderstände verringert werden, durch Kontradotierungen werden pn-Übergänge erzeugt.
12. Herstellungsverfahren für einen optischen Detektor 1, bei welchem die Kontakte 5 an die Ränder des porösen Filters gelegt werden. Dadurch bleibt die ganze Filterfläche erhalten, allerdings auf Kosten eines gewissen Übersprechens von be- nachbarten Detektoren 1.
13. Herstellungsverfahren für einen optischen Detektor 1, bei welchem die Kontakte 5 von einer Isolationsschicht 7 quer durch die Filterschicht 3 bis zur anderen Isolationsschicht 7 verlaufen. Dadurch wird die Beeinflussung benachbarter Einzeldetektoren 1 größtenteils vermieden, allerdings auf Kosten eines Teils der Filterfläche.
Claims
1. Optischer Detektor mit einer Filterschicht aus porösem Silizium mit lateral veränderlicher Filterwirkung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Photoempfänger-Kontakten (5) integriert ausgebildet sind.
2. Optischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoempfänger-Kontakte (5) quer zur Filterschicht (3) ausgebildet sind.
3. Optischer Detektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Photoempfänger-Kontakte (5) an den Seiten der Filterschicht (3) ausgebildet sind.
4. Optischer Detektor nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Photoempfänger-Kontakte (5) abhängig ist von einem aufzulösenden Wellenlängenbereich.
5. Optischer Detektor nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Photoempfänger-Kontakte (5) zum Auflösen eines breiten Wellenlängenbereichs größer ist als die Anzahl der Photoempfänger-Kontakte (5) zur scharfen spektralen Auflösung.
6. Optischer Detektor nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filterfläche der Filterschicht (3) bei seitlicher Anordnung der Photoempfänger-Kontakte (5) größer ist als die Filterfläche der Filterschicht (3) bei Queranordnung der Photoempfänger-Kontakte ( 5) .
7. Optischer Detektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoempfänger-Kontakte (5) ohmsche Kontakte sind.
8. Optischer Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoempfänger-Kontakte (5) Schottkykontakte sind.
9. Verfahren zur Herstellung eines optischen Detektors mit einer Filterschicht aus porösem Silizium mit lateral veränderlicher Filterwirkung, gekennzeichnet durch die Schritte:
- Ausbilden der porösen Filterschicht auf einem Substrat;
- Ausbilden einer ortsabhängigen spektralen Filterwirkung durch Erzeugung einer ungleichförmigen Ätzstromdichte;
- Ausbilden von Kontaktflächen unterhalb der Filterschicht durch Metallisierung geätzter Bereiche des Substrats.
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch
- Aufbringen einer Isolationsschicht auf die poröse Filter- schicht unter Freihaltung aktiver Filterflächen.
11. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch
- Aufbringen einer Isolationsschicht auf die poröse Filter- schicht unter anschließender Freilegung aktiver Filterflächen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch - Aufbringen einer Photolack-Schicht auf der Isolationsschicht vor der Freilegung aktiver Filterflächen;
- anschließendes Definieren der Kontaktflächen durch Photolithographie; und
- Wegätzen des Photolackes an den definierten Kontaktflächen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschicht aus porösem Silizium naßchemisch, trok- kenchemisch oder durch Sputtern weggeätzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Metallflächen, die auf der Isolationsschicht ausgebildet werden, als Bond- und Kontaktfläche genutzt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen an die Ränder der Filterschicht gelegt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte quer zur Filterschicht ausgerichtet werden.
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