CN109668627B - 具有亥姆霍兹共振器的光检测器 - Google Patents

具有亥姆霍兹共振器的光检测器 Download PDF

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Abstract

光检测器(10)包括亥姆霍兹共振器和光敏结构(4)，该光敏结构(4)设置在形成亥姆霍兹共振器的部分的电场集中间隔中。具体地，这种光检测器适合用于图像应用。在光敏结构的检测光谱间隔内，待检测辐射的波长由亥姆霍兹共振器的尺寸确定。

Description

具有亥姆霍兹共振器的光检测器
技术领域
本发明涉及光检测器，涉及用于制造这种光检测器的方法，以及涉及图像传感器。
背景技术
光检测器是在数字摄影和光通信中的许多应用中发挥关键作用的光导发光的部件。每个光检测器的功能均为检测电磁辐射的通量，以及将该通量转换变成然后可由电子电路读取的电气量。
目前，最通常使用的光检测器是以CMOS技术制造的光电二极管。然而，光电二极管相对于入射的电磁辐射的波长的选择性不足，因为对于待检测辐射，光电二极管足以用于与比使用的半导体的带隙高的光子能量相对应的波长。另外，光电二极管相对于电磁辐射的极化状态不具有选择性。出于这些原因，当需要对允许区别不同颜色或不同极化状态的辐射进行检测时，每个光电二极管均必须与光谱过滤器或偏光器结合。这些附加光学部件产生附加制造成本，并且因为它们必须相对于光检测器进行布置，具体布置在彩色图像传感器内，所以增加了组装的复杂性。
在3μm至5μm(微米)与8μm至14μm的光谱窗中有效的量子光检测器也是已知的，但是它们需要冷却至通常比77K(开尔文)低的深冷温度。该冷却约束限制或甚至防止了它们的使用，并且大幅度增加了它们的***格。
在从0.3μm至15μm的光谱带中有效的诸如四分之一波天线的其它类型的光检测器也是已知的，例如，采取狭缝或金属-绝缘体-金属结构的形式。然而，它们具有的在一方面它们的检测灵敏度水平与另一方面它们的检测光谱间隔的宽度之间的特征的组合不适合诸如图像的应用。
另外，亥姆霍兹电磁场共振器为已知的。这种共振器包括：
-电绝缘容积；以及
-金属面，该金属面沿着至少一个回路路径围绕绝缘容积，该一个回路路径除回路路径的两个中断之外形成围绕该绝缘容积的回路，使得金属面形成两个电极，该两个电极由至少一个间隙彼此分隔，该一个间隙称为电场集中间隙，并且该电场集中间隙包括回路路径的中断。
在这种亥姆霍兹共振器中，电场集中间隙在两个电极之间具有比绝缘容积的厚度小的厚度，这些厚度在共同的方向上进行测量。因而，当电磁辐射在共振器上入射时，由该辐射在共振器上产生的电场在电场集中间隙中的比在绝缘容积中的强度更大。
另外，本领域技术人员知道如何选择这种共振器的绝缘容积和金属面的尺寸，以使用对于电磁辐射期望的波长在电场集中间隙中产生电场的共振。
发明内容
从这种情况来看，本发明的一个目的为提供新的光检测器，其中每个光检测器均具有检测光谱间隔以及相对于可随意选择的待检测的电磁辐射的极化的选择性。
另一目的为提供这种具有大检测视角、和/或大检测截面和/或小尺寸的光检测器，具体为了允许制造具有优良分辨率的图像传感器。
又一目的为提供这种以低成本或适度成本来制造的光检测器，并且不需要对它们进行冷却以进行操作。
为此，本发明的第一方面提出包括亥姆霍兹共振器的光检测器，该光检测器对用于检测具有包括在0.3μm与15μm之间的波长的至少一个电磁辐射有效。光检测器包括具有绝缘容积和金属面的亥姆霍兹共振器，其中，该绝缘容积和金属面具有当辐射的波长在0.3μm与15μm之间变化时，适合用于在电场集中间隙中产生电场的共振的尺寸。
本发明的光检测器还包括：
-至少一个光敏结构，该光敏结构基于至少一种半导体材料，用于吸收辐射，至少部分地放置在电场集中间隙中，并且与两个电极中的每个均电接触；以及
-两个输出电连接部，该两个输出电连接部一对一地电连接至两个电极，并且当辐射在亥姆霍兹共振器上入射时，适合用于发射在光敏结构中产生的检测电信号。
另外，光敏结构具有包括电场共振的光谱间隔的检测光谱间隔部。通过与声学领域类推，后面的情况可称为将光敏结构调谐至共振器的情况。
因而，在根据本发明的光检测器中，亥姆霍兹共振器的一个功能为提升由电磁辐射产生的电场。该超加折射生成在电场集中间隙中。因而，由于光敏结构处于电场集中间隙中，因而光检测器具有高灵敏度，并且因此，光检测器可检测具有低强度或甚至非常低强度的电磁辐射。
另外，亥姆霍兹共振器的另一作用为作为入射电磁辐射的滤波器进行操作，相对于该辐射的波长有效。因而，由于对于电磁辐射的亥姆霍兹共振器的Q-因子的相对低的值，由亥姆霍兹共振器形成的滤波器具有足以用于许多应用的具体为图像应用的共振的光谱宽度。
另外，由于亥姆霍兹共振器对在与辐射的入射方向相关的大角度扇形中的入射电磁辐射灵敏，因而本发明的光检测器本身具有大的检测角度场。因此，光检测器可与大数值孔径的透镜相关联，以将辐射聚焦在具有放大的辐射收集区域的光检测器上。
另外，由于亥姆霍兹共振器的使用，光检测器具有大的检测交叉部分。
最后，根据本发明的光检测器可具有非常小的、具体比检测辐射的波长小的厚度。该非常小的厚度实现以下附加优点：暗电流值可非常低，更好地控制在光敏结构中使用的辐射跃迁，由漂流效应支配的电运输，以及光支承件的传输时间非常短。
在包括根据本发明的亥姆霍兹共振器的光检测器的第一配置中，电绝缘容积可在第一方向上为直线的和长型的，以及然后每个电场集中间隙均可在第一方向上也为直线的和长型的。这种光检测器相对于电磁辐射的极化为选择性的，从而主要对线性极化且具有与绝缘容积和电场集中间隙的长型方向平行的磁场辐射灵敏。
在包括还根据本发明的亥姆霍兹共振器的光检测器的第二配置中，电绝缘容积可具有两个彼此垂直的直线的和长型的分支。在这种情况下，每个电场集中间隙对于绝缘容积的每个分支可有利地均包括间隔段，该间隔段同样为直线的和长型的，并且与该分支平行，并且包括光敏结构的段。具有这种第二配置的光检测器同时对电磁辐射的全部可极化状态灵敏并且呈相似的程度。因而，光检测器产生代表辐射强度且对其全部极化状态进行求和的检测信号。
通常，亥姆霍兹共振器的金属面一方面可形成具有底部和从底部的两个相对的侧部连续延伸的两个侧面的小槽，以及另一方面可形成面向底部定位的覆盖面。然后，绝缘容积定位在小槽的底部与覆盖面之间，以及同时在小槽的两个侧面之间。另外，每个电场集中间隙定位在覆盖面的侧边缘与小槽的侧面中的一个的边缘之间，小槽的侧面中的一个的边缘与小槽的底部相对。优选地，小槽的两个侧面可平行，并且由包括在0.05μm与0.25μm之间的小槽宽度进行分隔。同时，小槽的底部与覆盖面可平行，并且由包括在0.03μm与0.25μm之间的绝缘容积的厚度进行分隔。为此，绝缘容积的高度方向与小槽的宽度方向垂直地进行测量。
对于本发明，通常，当从一个电极至另一电极测量时，每个电场集中间隙的厚度可包括在10nm与100nm之间，并且每个电场集中间隙均可具有在所涉及的电场集中间隙处与电极中的至少一个平行测量的、包括在10nm与50nm之间的宽度。
同样，对于本发明，通常，每个电极均可至少部分地由以下金属中的一种制造：黄金、银、铜、铝或至少包括这些金属中的一种的合金。
在本发明的各实施方式中，每个光敏结构均可包括PiN结、半导体部分和量子肼多层堆叠中的一个。
可能地，光检测器还可包括相对于亥姆霍兹共振器固定地设置的会聚透镜结构。当辐射在透镜结构上入射时，这种透镜结构可将辐射聚焦在亥姆霍兹共振器上。在这种情况下，光检测器还可包括对辐射透明的材料层，该材料层设置在亥姆霍兹共振器与透镜结构之间。该层的作用为作为在亥姆霍兹共振器与透镜结构之间的隔离物。因而，亥姆霍兹共振器、每个光敏结构、透明材料层以及透镜结构在刚性块内全部牢固地固定在一起。因而，便于光检测器的处理以及将光检测器组装入设备。具体地，透镜结构可包括金属层，该金属层设有面向亥姆霍兹共振器的孔以及围绕孔设置的狭缝，以形成惠更斯透镜。
当该光检测器根据本发明的第一方面时，本发明的第二方面提出了用于制造光检测器的过程。该过程包括以下步骤：
(1)在临时支承件上，形成每个光敏结和电绝缘材料的部分，作为绝缘容积，然后在光敏结构和绝缘容积的上方形成电极中的第一电极；
(2)在与临时支承件相对的、第一电极的侧部上，将最终支承件粘结至第一电极；
(3)去除临时支承件；以及
(4)在光敏结构和绝缘材料的部分上，在与最终支承件相对的光敏结构和绝缘材料的部分的侧部上，沉淀电极中的第二电极。
最后，本发明的第三方面提出了图像传感器，该图像传感器包括：
-光检测器的矩阵阵列，光检测器中的每个均根据本发明的第一方面，这些光检测器设置在矩阵阵列的行和列的相交处；
-适合分别用于选择每个光检测器的寻址***；以及
-当光检测器由寻址***选择时，适合用于读取由光检测器中的任何一个的两个输出电连接部传送的检测电信号的读取***。
当每个光检测器均有效的用于检测与光学红外线区域相对应的包括在0.8μm与15μm之间的波长的辐射时，这种图像传感器可具有包括在2μm与20μm之间的行或列节距。
可选地，当每个光检测器均有效的用于检测与可见光区域相对应的包括在0.3μm与0.8μm之间的波长的辐射时，行或列节距可包括在0.1μm与2μm之间。
附图说明
根据以下对非限制性示例实施方式的描述，本发明的其它细节和优点会变得显而易见，参照附图来提供对示例实施方式的描述，在附图中：
-图1为根据本发明的光检测器的剖视图；
-图2a和图2b为根据本发明的两个不同配置下的两个光检测器的立体图；
-图3a示出了根据本发明的光检测器的光敏结构的第一实施方式，以及图3b为图3a的光检测器的光谱反射率的图表；
-图4与图3b相对应，示出光敏结构的第二实施方式；
-图5a和图5b分别与图3a和图3b相对应，示出光敏结构的第三实施方式；
-图6a至图6h为根据本发明的光检测器的阵列在制造期间的剖视图，这些剖视图示出了用于制造这些光检测器的过程步骤；
-图7为根据本发明的设置有透镜结构的光检测器的剖视图；以及
-图8为根据本发明的图像传感器的立体图。
具体实施方式
为了清楚的目的，在这些图中示出的元件的尺寸既不与实际尺寸相对应，也不与实际尺寸的比例相对应。另外，在各种图中指示的相同的附图标记表示相同或具有相同功能的元件。
如图1、图2a和图2b中所示，根据本发明的光检测器10包括具有平面表面S的基部层2、电绝缘容积1、覆盖部3和中间结构4。基部层2由金属制成，优选具有高导电性。例如，基部层2可由黄金(Au)或铜(Cu)制成。绝缘容积1可由诸如硅石(SiO2)的电绝缘材料的部分组成，该电绝缘材料嵌入在基部层2中，作为该部分的主要部分。覆盖部3也由金属制成，优选地也具有高导电性，以及因此也可由黄金制成。因而，基部层2从其表面S具有平行六面体的小槽形状，该小槽形状具有相对的侧面11和侧面12、小槽底部13和覆盖部3的底部面14，该底部面14朝向小槽的内部进行定向。
下文将对中间结构4进行详细描述。中间结构4位于基部层2的表面S与覆盖部3的底部面14之间，在绝缘容积1周围。中间结构4一方面与基部层2电接触，以及另一方面与覆盖部3电接触。基部层2和覆盖部3在中间结构4的外部彼此电绝缘。除非另有说明，否则此后可假定的是，中间结构4连续地围绕绝缘容积1。然而，假如基部层2和覆盖部3在中间结构4的外部彼此电绝缘，则中间结构4可限制成绝缘容积1的***的一个或多个区段。
绝缘材料的部分填充在基部层2中形成的小槽，其中中间结构4在表面S与覆盖部3之间形成***间隔部。在图1中指示的符号具有以下含义：
wb-绝缘容积1的宽度，在侧面11与侧面12之间测量，与方向D2平行；
hb-绝缘容积1的厚度，在小槽底部13与覆盖部3的底部面14之间测量，与方向D3平行；
wf-中间结构4的厚度，与方向D3平行进行测量；
hf-中间结构4的宽度，与方向D2平行进行测量。
在图1中指示的环B围绕绝缘容积1，包括在基部层2和覆盖部3中，并且在位于基部2与覆盖部3之间的两个位置中穿过中间结构4。包括在中间结构4中的、环B的每个段的长度大致等于厚度wf。另外，与绝缘容积1的厚度hb相比，中间结构4的厚度wf较小，并且优选地远小于绝缘容积1的厚度hb。在这些条件下，面向覆盖部3的***边缘进行定位的基部层2的表面S的部分与该覆盖边缘共同形成电容器的两个电极。在两个电容器电极之间的中间的间隔部表示为ZC。ZC分布在绝缘容积1的两个侧部之间，并且形成电场集中间隙，在该电场集中间隙中，电场相对于在绝缘容积1内可存在的电场强度而集中。该电场集中效应在本说明书的大体部分中称为超加折射。超加折射通过超加折射因子G来量化，该超加折射因子G等于集中间隙ZC中的电场的强度与绝缘容积1中的电场强度的商的平方。然后，该超加折射因子的近似值由以下公式给出：G＝λ2/(εSC·wf·hf)，其中，λ为电磁辐射R的波长，以及εSC为相对于形成中间结构4的材料的真空的相对介电常数。
这种结构形成亥姆霍兹共振器，对于该亥姆霍兹共振器，集中间隙ZC中的电场强度由于入射在整个该结构上的电磁辐射R的波长的作用而呈现共振。共振的中波长由对本领域技术人员已知的公式给出:λr＝2·π·[εSC·wb·hb·hf/(2·wf)]1/2。在刚给出的与G和λr有关的公式中，与图1的平面垂直，即，与方向D1平行的绝缘容积1和中间结构4的长度假定为远大于尺寸wb、hb、wf和hf。换言之，绝缘容积1和中间结构4平行于方向D1呈长型，方向D1称为长型方向。
例如，当基部层2和覆盖部3由黄金(Au)制成，绝缘容积1由硅石(SiO2)制成，以及中间结构4的平均折射率为约3.5时，亥姆霍兹共振器可使用以下尺寸：wb＝0.11μm(微米)，hb＝0.10μm，wf＝15nm(毫微米)以及hf＝30nm。在这些条件下，以及当电磁辐射R已线性极化，使得其磁场与长型方向D1平行时，共振波长λr约等于3.25μm，用于该波长的超加折射因子G比100高，而亥姆霍兹共振器的品质因子Q仅为约10。亥姆霍兹共振器的品质因子Q的该低值允许光检测器10具有对于许多应用、具体为图像应用足够的检测光谱宽度。另外，对于辐射R的入射方向相对于与表面S垂直的方向D3在0°(度)与40°之间变化的倾斜，对于λr、G和Q这些数值未显著地修改。为此，光检测器10可与具有高数值孔径值的聚焦透镜有效地结合。因而，电磁辐射R的检测在该放大的辐射的收集区域中有效。
如上所指出的是，当辐射R具有线性极化，使得其磁场与绝缘容积1的长型方向平行时，用于在集中间隙ZC中提升辐射R的电场的亥姆霍兹共振器的效率高。因而，当辐射R具有线性极化，使得其磁场与方向D1平行时，图2a的光检测器10对辐射R的灵敏度高。
在图2b的光检测器10中，绝缘容积1具有两个分支：分支B1和分支B2，该分支B1和分支B2为直线的、长型的，彼此垂直，并且分别与方向D1和方向D2平行。因而，分支B1具有较高的容量，从而当辐射R具有线性极化使得其磁场与方向D1平行时，提升电磁辐射R的电场。同时，分支B2具有较高的容量，从而当辐射R具有线性极化使得其磁场与方向D2平行时，提升电磁辐射R的电场。通过组合，这种光检测器10允许辐射R无论其极化如何都进行提升，并因而尤其适合用于检测具有自然极化的辐射。优选地，电场集中间隙ZC沿着每个臂B1、臂B2的至少一个部分延伸，并因而包括直线的、长型的且分别与方向D1和方向D2平行的至少两个间隔区段。
根据本发明，至少部分地位于电场集中间隙ZC中的中间结构4为光敏的，并且一方面与基部层2电接触，另一方面与覆盖部3电接触。在图2a和图2b中的符号C1和符号C2表示两个输出电接触部，这两个输出电接触部中C1通向基部层2，以及C2通向覆盖部3。这些输出电接触部C1和输出电接触部C2旨在将由在光敏结构4中的辐射R产生的电气电压或电气电流传递至例如读出电路。在本说明书的大体部分中，参照布置在基部层2和覆盖部3上的输出电接触部C1和输出电接触部C2，已将基部层2和覆盖部3称为电极。
由于在集中间隙ZC中的辐射R的电场的超加折射效应，对于光敏结构4，能够使用可具有低检测效率但是具有小尺寸和/或制造简单和较便宜的实施方式。
在第一可能的实施方式中，并且对于根据本发明的光检测器10，光敏结构4可为PiN结，简称PiN表示三个区域，其中的一个为正掺杂，其中的另一个为负掺杂，以及其中中间区域具有固有电气导电率。如图3a中所示，这种PiN结可由沿着方向D3进行堆叠的三层铟(In)、镓(Ga)和砷(As)合金的堆叠形成，该三层铟(In)、镓(Ga)和砷(As)合金例如具有In0.53Ga0.47As的近似化学计量。为了减少暗电流的扩散分量，可有利的是添加两层材料，该两层材料具有比用于PiN结的合金的带隙宽的带隙，例如两层铟(In)和磷(P)合金。具体地，In0.53Ga0.47As和InP合金的相应带隙为0.74eV(电子伏)和1.27eV。然后，光敏结构4具有在图3a中示出的配置，在该配置中，(P)表示已正掺杂的层，以及(N)表示已负掺杂的层。图3a还示出以毫微米(nm)表示且沿着方向D3进行测量的厚度，该厚度对于光敏结构4的每层都是可能的，与约80nm的总厚度相对应，该进行测量的厚度等于以上限定的厚度wf。
亥姆霍兹共振器的尺寸选择为使得该共振器与光敏结构4调谐：与共振波长λr相对应的光子能量比PiN结使用的合金的带隙加上kB·T/2高，其中，kB表示玻尔兹曼常数，以及T表示光检测器10的操作温度，该操作温度例如在房间温度下使用等于300K(开尔文)。在这些条件下，因而获得的与光检测器10的最大灵敏度相对应的波长约等于1.650μm，以及当辐射R的磁场与亥姆霍兹共振器的长型方向平行时，该波长的超加折射因子G为约140。亥姆霍兹共振器可具有以下尺寸：wb＝0.080μm，hb＝0.075μm，wf＝80nm以及hf＝25nm。在具有这些尺寸以及根据图2a或图2b的多个光检测器10之间的偏移节距p可为1.1μm，其中该多个光检测器10当在方向D1或方向D2上偏移时，在表面S上并列。图3b复制了对于垂直入射的辐射R而因而获得的光检测器阵列的反射率的图表。水平轴线指示以微米表示的波长λ的值，以及竖直轴线指示表示反射和以百分比表示的反射率的值。允许辐射R的检测的吸收共振与1.65μm的波长值相对应。
与在本发明之前已知的其它光检测器相比，对于本发明，每个光检测器的单独检测效率可较低。然而，与表面S平行的每个光检测器的、对于本发明也较小的尺寸，允许每单位区域的检测效率的值比用以前的光检测器获得的那些值高。
为了减少由在接近光敏结构4的横向极限发生的寄生电流引起的效率损失，该光敏结构4可在绝缘容积1与覆盖部3之间连续，和/或横向地突出超过覆盖部3的横向边缘。
在对于根据本发明的光检测器10也可能的第二实施方式中，光敏结构4可为半导体的部分。该部分为方面与基部层2接触，以及另一方面与覆盖部3接触，因而形成金属-半导体-金属堆叠。在这种堆叠中，半导体部分的作用为吸收提升电场的能量，以及两个金属-半导体接口形成两个肖特基二极管。这种光敏结构4的半导体可再次为InGaAs合金，并且对于亥姆霍兹共振器的共振波长λr，以下尺寸导致再次获得1.650μm的值：wb＝0.060μm，hb＝0.050μm，wf＝30nm以及hf＝20nm。然后，在1.650nm的共振波长下，超加折射因子G约等于350。因为中间结构4的厚度wf的值较低，所以因子G的值比以上描述的第一实施方式的值高。对于在表面S中并列的多个光检测器的偏移节距p，可再次采用1.1μm的值。图4示出了在这些条件下获得的反射率光谱。
对于每个光检测器10，这种第二实施方式可分别产生比以上描述的第一实施方式的那些值低的检测效率值。然而，这些较低的单独检测效率值可通过表面S中的光检测器的校高密度来补偿，其中光检测器的校高密度与偏移节距p的较小值相对应。
可能地，根据这种第二实施方式的光检测器10可用于检测电磁辐射，其中，该电磁辐射使用包括两个退化光子的非线性的吸收机构，其中两个退化光子即为具有相同波长的两个光子。在这种情况下，两个光子中的每个的能量均包括在光敏结构4的半导体的带隙的宽度与该带隙宽度的一半之间。例如，与3μm的波长相对应的、等于0.41eV的光子能量允许当使用半导体合金InGaAs时经由吸收两个光子进行检测，因为其带隙为约0.74eV。然后，亥姆霍兹共振器的尺寸必须确定为在光子的波长处产生共振，即在当前示例中为3μm。对于以下尺寸：wb＝0.150μm，hb＝0.135μm，wf＝30nm以及hf＝20nm，对于3μm的波长，超加折射因子G约等于1950。然后，在表面S上并列的这种光检测器10之间可使用2.0μm的偏移节距p。假定超加折射因子G的平方为在经由包括两个退化光子的吸收机构的辐射R的检测的效率中的系数，则根据本发明的第二实施方式的光检测器10以及实施该包括两个退化光子的吸收机构的光检测器10可尤其适合用于检测在较长波长值处的辐射。
在对于根据本发明的光检测器10的还可能的第三实施方式中，光敏结构4可为已知简称为QWIP(quantum-well infrared photodetector，量子阱红外光电探测器)的量子阱结构。用于检测电磁辐射的这种量子阱结构的操作原理假定为公知的，使得不必在这里对其进行重复。如果需要，读者可参考丰富且广泛可用的相关科学文献。简单地指示的是，对于这种第三实施方式，必须在输出电接触部C1与输出电接触部C2之间应用电气偏移电压。图5a示出了这种光敏结构的示例。10nm厚度的铟-磷合金层形成阴极，6nm的厚度的铟-镓-磷合金的中间层形成量子阱，以及30nm厚度的铟-磷合金的其它层形成QWIP结构的阳极。在这些条件下，光敏结构4对于检测具有约9μm波长的电磁辐射为高效的。对于该检测-波长值，以下尺寸可用于调谐亥姆霍兹共振器：wb＝0.500μm，hb＝0.620μm，wf＝46nm以及hf＝20nm。在表面S中并列的这种光检测器之间的偏移节距p可为6.0μm。在这些条件下，对于9μm的波长，在量子阱中的超加折射因子G约等于3710，以及在该阱的容积中，辐射R的光子吸收效率为约60％。该吸收效率值比由包括诸如在相关文献中报道的多量子阱结构产生的其它值低，但是诸如以上描述的QWIP光敏结构4的小区域允许很大程度地减少暗电流。另外，由于每个光检测器的尺寸也都非常小，因而这种第三实施方式允许在表面S中获得高密度的光检测器。图5b示出了根据第三实施方式并且具有刚提到的尺寸值的、包括这种并列光检测器的区域的吸收共振。
可能地，根据这种第三实施方式的光检测器10可用于检测使用包括多个退化光子的非线性吸收机构的电磁辐射。用这种方式，可检测具有较长波长的辐射，并且获得更低的暗电流值，其中较长波长具体在8μm至12μm的光谱带内。
参照图6a至图6h，现在将描述用于制造根据本发明的并列光检测器10的可能过程。
在图6a中示出的第一步骤中，在例如单晶硅晶片的临时支承件21的表面上生成光敏结构4，以便连续地覆盖临时支承件21。光敏结构4可通过根据该结构的实施方式，在适当的情况下，以叠加的连续层沉淀单种材料或多种材料来生成，其中，该实施方式具体为以上已描述的三个实施方式中的一个。可能地，可使用晶膜沉积过程。
然后，可例如在黄金的沉积和剥离步骤之后，使用电子光束光刻过程在光敏结构4的顶部上生成例如由黄金制成的金属分隔部2a(图6b)。分隔部2a旨在形成在表面S中相邻的光检测器10的两个亥姆霍兹共振器之间中间的基部层2的部分。
然后，使用适合用于结构4的一个或多个材料的蚀刻过程，在分隔部2a之间有选择地去除光敏结构4(图6c)。具体地，这种过程可为实施适合的蚀刻剂的解决方案的湿式过程。然而，可将在分隔部2a之间去除光敏结构4的该步骤省略，以便在覆盖部3下方保存连续延伸的光敏结构4。
因而，在相邻堆叠之间恢复的自由容积可充满有绝缘抵抗物，其中每个堆叠均通过光敏结构4的剩余部和分隔部2a形成(图6d)。该抵抗物形成绝缘容积1的材料。
然后，执行具体为黄金的金属的附加沉积，以形成连续地覆盖分隔部2a和绝缘容积1的附加层2b。分隔部2a和附加层2b形成用于每个光检测器10的、在本说明书上文已介绍的基部层2，并且基部层2还称为第一电极。
然后，将例如由绝缘材料的硅碳化物制造的最终支承件20或包括预先生成的电气连接的最终支承件20粘结在附加层2b的顶部上。然后，例如通过磨光然后湿式蚀刻将临时支承件21去除。在翻转之后，获得图6f的配置。当最终支承件20包括最初电气连接时，这些最初电气连接可形成用于正在制造的光检测器10的输出电气连接C1。
然后，例如使用在目前的情况下为黄金的金属的沉淀步骤之后的掩模步骤来形成还称为第二电极的覆盖部3(图6g)。
最后，在覆盖部3之间将光敏结构4蚀刻至基部层2(图6h)。
在该制造过程示例中，基部层2形成对已同时制造的光检测器10共同的第一电极，以及每个覆盖部3均形成分别专用至光检测器10中的一个的分隔的第二电极。在替代实施方式中，基部层2在相邻的两个光检测器10之间可通过中间电气绝缘中断。然后，覆盖部3在相邻的两个光检测器10之间可连续，以便形成这些光检测器共同的第二电极。
如图7所示，根据本发明的光检测器10可与会聚透镜结构7相关联。有利地，通过中间层6将透镜结构7安全地固定至光检测器10，其中中间层6的材料对待检测的辐射R透明。然后，层6具有沿着方向D3测量的厚度，该厚度约等于透镜结构7的焦距F。因而，根据光检测器10的截面，透镜结构7将辐射R聚焦在光检测器10上。一方面用于将层6固定至光检测器10以及另一方面用于将透镜结构7固定至层6的多个组装方法对本领域技术人员而言是已知的。
会聚透镜结构7可为平凸微透镜或菲涅耳结构。然而，优选地，透镜结构7可为惠更斯透镜，对本领域技术人员而言也是已知的。这种惠更斯透镜可由金属层来形成，该金属层由透明材料的层6承载，并且具有带***狭缝的中心孔。这种惠更斯透镜沿着方向D3对齐地面向光检测器10进行定位。中心孔和***狭缝形成产生用于辐射R的聚焦功能的光传输图案。具体地，中心孔可为圆形，并且相对于光检测器10居中。然后，对于具有波长λ的辐射R的光谱成分有效的惠更斯透镜的焦距F由公式F＝D0 2/(3·λ)给出，其中，D0为中心孔的直径。在本发明的情况下，层6沿着方向D3的厚度必须与关于共振波长λr的焦距F近似相对应。
设置有诸如在图7中示出的透镜结构7的光检测器10尤其适合用于形成图像传感器100的像素。然后，将这种像素以排和列布置成呈诸如在图8中示出的矩阵阵列。为了使该图清楚，未示出可连续地覆盖全部光检测器10的透明材料的层6，也未示出一个接一个地专用于光检测器10的会聚透镜结构7。在示出的示例图像传感器中，所有光检测器10共用形成全部覆盖部3的相同金属层。将该层图案化，以形成具有正方形单元的格子，以便允许辐射R到达电场集中间隙ZC。然后，该层形成对图像传感器100的所有光检测器10共同的电极。在这种情况下，将基部层2分成彼此电隔离且一个接一个地专用于光检测器10的部分。附图标记5表示由诸如硅石的电绝缘材料形成并且使基部层2的部分彼此电绝缘的格子。
附图标记20’表示定位在基部层2的部分与支承件20的基部20”之间的一组层。该组层20’包括连接至寻址电路30的输出电气连接部C1。这种寻址电路30还在输入端处经由输出连接部C2连接至覆盖部3，并且在输出端处连接至读出电路40，以便传送与由传感器100捕捉的每个图像相对应的图像数据。设计用于图像传感器的这种寻址和读出电路为公知的，使得不必在这里再次对其进行描述。
在图像传感器100的矩阵阵列中的像素的行和列的偏移节距p可根据待检测的一个或多个辐射的一个或多个波长来选择。具体地，该偏移节距p取决于使用的亥姆霍兹共振器在方向D1和方向D2上的分支B1和分支B2的长度。
最后，可在图像传感器100的矩阵阵列上使光检测器10进行交替，该光检测器10为根据本发明所述，但是设计成用各自的最大灵敏度检测电磁辐射的不同波长。因而，获得彩色图像传感器或多谱图像传感器。要提醒的是，根据本发明并且设计成检测在期望波长周围的电磁辐射的光检测器意味着将光敏结构设计成在该波长处具有足够的吸收，并且亥姆霍兹共振器的尺寸设计成在该相同波长处具有共振。
应理解的是，本发明可在相对于已详细描述的示例实施方式修改其次要方面时进行复制，同时保持至少一些提到的优点。在这些优点之中，现在会回想主要的一些：
-电场的高超加折射，允许检测效率高；
-没有谐波共振，与使用诸如法布雷-佩特谐振器的其它共振器相反；
-用于亥姆霍兹共振器的Q-因子相当低，从而允许光检测器在相当宽的检测光谱间隔中，具体是具有可适合的用于图像应用的光谱宽度中有效；
-相对于待检测的电磁辐射的入射方向的倾斜的高公差，从而允许光检测器与高数值孔径的聚焦透镜相关联；
-经由亥姆霍兹共振器的形状，相对于待检测的电磁辐射的极化选择光检测器的选择的可能性，或相对于该极化产生不选择的光检测器的可能性；
-每个光检测器的小尺寸；以及
-光检测器可用已知的且已容易精通的技术来生产，该技术包括用于制造集成电路的技术。
具体地，可将光敏结构4仅放置在绝缘容积1的周长的限制部分上，在与表面S平行的平面中的投影中。然后，覆盖部3在光敏结构4的外部通过绝缘材料的层的部分与基部层2电绝缘，其中，该绝缘材料的层可有利地沿着方向D3非常薄，具体比光敏结构4薄。然后，因而，在包括光敏结构4的集中区域ZC中的电场的超加折射甚至更高。

Claims (14)

1.一种光检测器(10)，包括亥姆霍兹共振器，有效地用于检测具有包括在0.3μm与15μm之间的波长的至少一个电磁辐射(R)，所述亥姆霍兹共振器包括：
-电绝缘容积(1)；以及
-金属面(11)至金属面(14)，所述金属面(11)至所述金属面(14)沿着至少一个回路路径围绕所述绝缘容积(1)，所述至少一个回路路径除所述回路路径的两个中断之外形成围绕所述绝缘容积的回路，使得所述金属面形成两个电极，所述两个电极由至少一个间隙彼此分隔，所述至少一个间隙称为电场集中间隙(ZC)，并且所述电场集中间隙(ZC)包括所述回路路径的所述中断；
所述电场集中间隙(ZC)具有在两个电极之间的、比所述绝缘容积(1)的厚度小的厚度，所述厚度沿着共同的方向(D3)进行测量，使得当所述辐射(R)在所述共振器上入射时，由所述辐射在所述共振器中产生的电场在所述电场集中间隙中比在所述绝缘容积中强度更大，
所述绝缘容积(1)和所述金属面(11)至所述金属面(14)的尺寸适合用于当所述辐射(R)的波长在0.3μm与15μm之间变化时，在所述电场集中间隙(ZC)中产生所述电场的共振，以及所述光检测器(10)还包括：
-至少一个光敏结构(4)，所述至少一个光敏结构(4)基于至少一个半导体，用于吸收所述辐射(R)，至少部分地设置在所述电场集中间隙(ZC)中，并且与所述两个电极中的每个均电接触；以及
-输出电连接部(C1)和输出电连接部(C2)，所述输出电连接部(C1)和所述输出电连接部(C2)为一对一地电连接至所述两个电极，以及适合用于当所述辐射(R)在所述亥姆霍兹共振器上入射时，发射在所述光敏结构(4)中产生的检测电信号，
所述光敏结构(4)具有检测光谱间隔，所述检测光谱间隔包括所述电场的共振的光谱间隔。
2.根据权利要求1所述的光检测器(10)，其中，所述电绝缘容积(1)在第一方向(D1)上为直线的和长型的，以及每个电场集中间隙(ZC)在所述第一方向上也均为直线的和长型的。
3.根据权利要求1所述的光检测器(10)，其中，所述电绝缘容积(1)具有两个直线的和长型的分支(B1)和分支(B2)，所述分支(B1)和所述分支(B2)彼此垂直，以及对于所述绝缘容积的每个分支，每个电场集中间隙(ZC)均包括间隙段，所述间隙段也是直线的和长型，且与所述分支平行，并且包括所述光敏结构(4)的段。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光检测器(10)，其中，所述金属面(11)至所述金属面(14)一方面形成具有底部(13)、侧面(11)和侧面(12)的小槽，其中所述侧面(11)和所述侧面(12)从所述底部的两个相对的侧部连续地延伸；以及另一方面形成面向所述底部定位的覆盖面(14)，使得所述绝缘容积(1)定位在所述小槽底部与所述覆盖面之间，并且同时在所述小槽的两个侧面之间，以及每个电场集中间隙(ZC)均定位在所述覆盖面的侧边缘与所述小槽的侧面中的一个的边缘之间，所述小槽的侧面中的一个的边缘与所述小槽的底部相对。
5.根据权利要求4所述的光检测器(10)，其中，所述小槽的侧面(11)和侧面(12)是平行的，并且由包括在0.05μm与0.25μm之间的小槽宽度(wb)分隔，以及其中，所述小槽的底部(13)与所述覆盖面(14)是平行的，并且由包括在0.03μm与0.25μm之间的、所述绝缘容积(1)的厚度(hb)分隔。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光检测器(10)，其中，从一个电极至另一电极测量的每个电场集中间隙(ZC)的厚度(wf)包括在10nm与100nm之间，以及每个电场集中间隙均具有在所述电场集中间隙处与所述电极中的至少一个平行而测量的包括在10nm与50nm之间的宽度(hf)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光检测器(10)，其中，每个电极至少部分地由以下金属中的一种制造：黄金、银、铜、铝或包括所述金属中的至少一种的合金。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光检测器(10)，其中，每个光敏结构(4)均包括PiN结、半导体材料部分和量子肼多层堆叠中的一个。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光检测器(10)，还包括相对于所述亥姆霍兹共振器固定地设置的会聚透镜结构(7)，以便当所述辐射在所述透镜结构上入射时，使所述辐射(R)聚焦在所述亥姆霍兹共振器上。
10.根据权利要求9所述的光检测器(10)，还包括对所述辐射(R)透明的材料层(6)，所述材料层(6)设置在所述亥姆霍兹共振器与所述透镜结构(7)之间，使得所述亥姆霍兹共振器、每个光敏结构(4)、所述透明材料层和所述透镜结构在刚性块内牢固地固定在一起。
11.根据权利要求9或10所述的光检测器(10)，其中，所述透镜结构(7)包括金属层，所述金属层设有面向所述亥姆霍兹共振器的孔，并且还设有围绕所述孔设置的狭缝，以形成惠更斯透镜。
12.用于制造光检测器(10)的过程，所述光检测器(10)为根据前述权利要求中的任一项所述的光检测器，所述过程包括以下步骤：
(1)在临时支承件(21)上形成所述至少一个光敏结构(4)和电绝缘材料的部分，作为所述绝缘容积(1)，然后在所述光敏结构和所述绝缘容积的上方形成所述电极中的第一电极；
(2)在与所述临时支承件(21)相对的、所述第一电极的侧部上，将最终支承件(20)粘结至所述第一电极；
(3)去除所述临时支承件(21)；以及
(4)在所述光敏结构(4)和所述绝缘材料的部分上，在与所述最终支承件(20)相对的所述光敏结构和所述绝缘材料的部分的侧部上，沉淀所述电极中的第二电极。
13.包括光检测器(10)矩阵阵列的图像传感器(100)，所述光检测器(10)的矩阵阵列中的每个光检测器均根据权利要求1至11中的任一项，所述光检测器设置在所述矩阵阵列的行和列的相交处，以及所述图像传感器还包括寻址***(30)和读取***(40)，所述寻址***(30)适合分别用于选择每个光检测器，以及读取***(40)适合用于读取由所述光检测器中的任何一个的所述输出电连接部(C1)和所述输出电连接部(C2)传送的所述检测电信号。
14.根据权利要求13所述的图像传感器(100)，所述图像传感器(100)在每个光检测器(10)均有效的用于检测具有包括在0.8μm与15μm之间的波长的辐射(R)时，具有包括在2μm与20μm之间的行或列节距，或在每个光检测器有效的用于检测包括在0.3μm与0.8μm之间的波长的辐射时，具有包括在0.1μm与2μm之间的排或列节距。
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