DE102017120499A1 - Radiation detecting semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Es wird ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement (10) angegeben, umfassend
- ein Siliziumsubstrat (1), das eine Oberflächenstruktur (3) aufweist, wobei die Oberflächenstruktur (3) einer Strahlungseintrittsfläche (5) des Halbleiterbauelements (10) zugewandt ist und sich mindestens bis in eine Tiefe von 100 nm in das Siliziumsubstrat (1) hinein erstreckt, und
- eine laterale Anordnung von Detektorpixeln (2) auf einer der Strahlungseintrittsfläche (5) gegenüberliegenden Vorderseite (6) des Siliziumsubstrats (1), wobei die Detektorpixel (2) jeweils eine strahlungsabsorbierende Schicht (8) umfassen und zur Absorption von Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 1100 nm geeignet sind.
- A silicon substrate (1) having a surface structure (3), wherein the surface structure (3) of a radiation entrance surface (5) of the semiconductor device (10) facing and at least to a depth of 100 nm in the silicon substrate (1) inside extends, and
a lateral arrangement of detector pixels (2) on a front side (6) of the silicon substrate (1) opposite the radiation entrance surface (5), the detector pixels (2) each comprising a radiation absorbing layer (8) and absorbing radiation having a wavelength of more than 1100 nm are suitable.
Description
Die Erfindung betrifft ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement, insbesondere ein ein- oder zweidimensionales Sensorarray.The invention relates to a radiation-detecting semiconductor component, in particular a one- or two-dimensional sensor array.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der
Strahlungsdetektierende Halbleiterbauelemente, die auf den Materialien Silizium und Germanium basieren, können zum Beispiel zur Herstellung von CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)-kompatiblen Sensoren eingesetzt werden. Germanium-Silizium-Detektoren sind insbesondere für den nahen infraroten Spektralbereich (NIR) bzw. den kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR) bei Wellenlängen von mehr als 1100 nm geeignet.Radiation-detecting semiconductor devices based on the materials silicon and germanium can be used, for example, for the production of CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) -compatible sensors. Germanium-silicon detectors are particularly suitable for the near infrared spectral range (NIR) or the short-wave infrared range (SWIR) at wavelengths of more than 1100 nm.
Bei Wellenlängen von mehr als 1100 nm erfolgt die Strahlungsabsorption im Wesentlichen in der Germanium-Schicht eines Germanium-Silizium-Detektors, da Silizium im infraroten Spektralbereich für Strahlung transparent ist. Die strahlungsabsorbierende Germanium-Schicht kann beispielsweise durch Heteroepitaxie auf einem Siliziumsubstrat hergestellt werden.At wavelengths greater than 1100 nm, radiation absorption occurs essentially in the germanium layer of a germanium-silicon detector, since silicon is transparent to radiation in the infrared spectral range. The radiation-absorbing germanium layer can be produced for example by heteroepitaxy on a silicon substrate.
Da die Absorptionslänge bei senkrechtem Strahlungseinfall durch die Dicke der Germanium-Schicht bestimmt wird, kann mit einer vergleichsweise dicken Germanium-Schicht eine hohe Empfindlichkeit erzielt werden. Allerdings erhöht sich dadurch die Transitzeit der Ladungsträger, das heißt die Zeit, welche die erzeugten Ladungsträger zum Durchqueren der Absorptionsschicht benötigen. Durch eine Erhöhung der Schichtdicke der strahlungsabsorbierenden Schicht wird daher die Geschwindigkeit des Detektors und somit die Frequenzbandbreite des Detektors limitiert. Zudem ist die Herstellung der Germanium-Schicht ein kostspieliger Prozess, sodass sehr dicke Germanium-Schichten im Allgemeinen unwirtschaftlich sind. Weiterhin behindert eine zu hohe Germanium-Schichtdicke die weitere Prozessierung (z.B. die lithografische Genauigkeit der Strukturierung), speziell bei standardisierten Herstellungsabläufen, wie beispielsweise der CMOS-Fertigung.Since the absorption length at normal radiation incidence is determined by the thickness of the germanium layer, a high sensitivity can be achieved with a comparatively thick germanium layer. However, this increases the transit time of the charge carriers, that is to say the time which it takes for the generated charge carriers to pass through the absorption layer. By increasing the layer thickness of the radiation-absorbing layer, therefore, the speed of the detector and thus the frequency bandwidth of the detector is limited. In addition, the production of the germanium layer is a costly process, so that very thick germanium layers are generally uneconomical. Furthermore, too high a germanium layer thickness hinders further processing (e.g., structuring lithographic accuracy), especially in standardized manufacturing operations such as CMOS fabrication.
Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems besteht darin, einen Detektor mit vergleichsweise dünner Germanium-Schicht innerhalb eines optischen Resonators hoher Güte herzustellen. Bei einer anderen Lösung wird eine Detektorgeometrie verwendet, bei der das Licht parallel zum Substrat in einen Wellenleiter eingekoppelt wird, dessen Kern aus dem Germanium-Absorber besteht. Die Ladungsträgerabführung erfolgt in diesem Fall senkrecht zur Richtung des Strahlungseinfalls, so dass die Transitlänge und die Absorptionsstrecke voneinander entkoppelt werden.
Beide bekannten Lösungsansätze führen zu einer Erhöhung des Herstellungsaufwands.One way to solve this problem is to fabricate a detector with a comparatively thin germanium layer within a high quality optical resonator. In another solution, a detector geometry is used in which the light is coupled parallel to the substrate in a waveguide whose core consists of the germanium absorber. In this case, the charge carrier discharge takes place perpendicular to the direction of the radiation incidence so that the transit length and the absorption path are decoupled from one another.
Both known approaches lead to an increase in the production cost.
Die Verwendung von Resonatorstrukturen schränkt außerdem die optische Bandbreite ein. Die Verwendung einer Wellenleiterstruktur für die Detektoren erschwert zudem die Herstellung von Sensorarrays enorm, da für jeden Pixel ein separates Einkoppelgitter sowie ein Wellenleiter bereitgestellt werden muss. Insbesondere zweidimensionale Arrays hoher Pixelzahl (z.B. für Bildsensoren) sind dadurch praktisch nicht realisierbar.The use of resonator structures also limits the optical bandwidth. The use of a waveguide structure for the detectors also hampers the production of sensor arrays enormously, since for each pixel a separate coupling grid and a waveguide must be provided. In particular, two-dimensional arrays of high number of pixels (for example for image sensors) are thus practically unrealizable.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement anzugeben, das sich durch eine hohe Empfindlichkeit, insbesondere im infraroten Spektralbereich, auszeichnet und insbesondere zur Bilderfassung in diesem Spektralbereich geeignet ist. Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement soll sich weiterhin durch einen vergleichsweise geringen Herstellungsaufwand auszeichnen.The invention has for its object to provide a radiation-detecting semiconductor device, which is characterized by a high sensitivity, especially in the infrared spectral range, and is particularly suitable for image acquisition in this spectral range. The radiation-detecting semiconductor component should continue to be characterized by a comparatively low production cost.
Diese Aufgabe wird durch ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a radiation-detecting semiconductor component according to
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung umfasst das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ein Siliziumsubstrat, das eine Oberflächenstruktur aufweist, wobei die Oberflächenstruktur einer Strahlungseintrittsfläche des Halbleiterbauelements zugewandt ist und sich mindestens bis in eine Tiefe von 100 nm in das Siliziumsubstrat hinein erstreckt.In accordance with at least one embodiment, the radiation-detecting semiconductor component comprises a silicon substrate which has a surface structure, wherein the surface structure faces a radiation entrance surface of the semiconductor component and extends into the silicon substrate at least to a depth of 100 nm.
Die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats ist vorzugsweise eine stochastische Struktur, das heißt eine Struktur, die statistisch verteilte Erhebungen und Vertiefungen aufweist. Eine stochastische Oberflächenstruktur kann beispielsweise mit vorteilhaft geringem Herstellungsaufwand durch einen Plasmaätzprozess erzeugt werden. Bei diesem Herstellungsverfahren ist es vorteilhaft nicht notwendig, eine Maskenschicht auf die Oberfläche aufzubringen und zu strukturieren. Mit anderen Worten wird die Oberflächenstruktur vorzugsweise mit einem maskenfreien Verfahren hergestellt.The surface structure of the silicon substrate is preferably a stochastic structure, that is, a structure having randomly distributed peaks and valleys. A stochastic surface structure can be produced, for example, with advantageously low production costs by a plasma etching process. In this manufacturing method, it is advantageously not necessary to apply a mask layer to the surface and to structure. In other words, the surface structure is preferably produced by a mask-free process.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Oberflächenstruktur eine deterministische Struktur ist, die beispielsweise durch ein Lithografieverfahren hergestellt wird.Alternatively, it is also possible that the surface structure is a deterministic structure prepared, for example, by a lithographic process.
Weiterhin umfasst das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement eine laterale Anordnung von Detektorpixeln auf einer der Strahlungseintrittsfläche gegenüberliegenden Vorderseite des Siliziumsubstrats, wobei die Detektorpixel jeweils eine strahlungsabsorbierende Schicht umfassen und zur Absorption von Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 1100 nm geeignet sind. Die Detektorpixel sind insbesondere vereinzelte Strukturen eines Materials, die zur Absorption von Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 1100 nm geeignet sind.Furthermore, the radiation-detecting semiconductor component comprises a lateral arrangement of detector pixels on one of Radiation entrance surface facing the front of the silicon substrate, wherein the detector pixels each comprise a radiation-absorbing layer and are suitable for absorbing radiation having a wavelength of more than 1100 nm. The detector pixels are in particular isolated structures of a material which are suitable for absorbing radiation with a wavelength of more than 1100 nm.
Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ist insbesondere zur parallelen Detektion von Strahlung im nahen infraroten Spektralbereich durch mehrere lateral nebeneinander angeordnete Detektorpixel geeignet. Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ist insbesondere ein array-artiges strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement. Bei zweidimensional lateraler Anordnung der Detektorpixel kann es vorteilhaft in Kombination mit einer abbildenden Optik insbesondere zur Aufnahme von Bildern, also als Bildsensor, verwendet werden. In eindimensional lateraler Anordnung der Detektorpixel eignet es sich insbesondere als Zeilensensor für z.B. Linienscanner. Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ist insbesondere für Strahlung empfindlich, deren Wellenlänge oberhalb der Absorptionskante von Silizium liegt.The radiation-detecting semiconductor component is particularly suitable for the parallel detection of radiation in the near infrared spectral range by a plurality of laterally juxtaposed detector pixels. The radiation-detecting semiconductor component is in particular an array-type radiation-detecting semiconductor component. In the case of a two-dimensional lateral arrangement of the detector pixels, it can advantageously be used in combination with an imaging optical system, in particular for taking pictures, that is to say as an image sensor. In one-dimensionally lateral arrangement of the detector pixels, it is particularly suitable as a line sensor for e.g. Line scanner. The radiation-detecting semiconductor component is particularly sensitive to radiation whose wavelength is above the absorption edge of silicon.
Durch die der Strahlungseintrittsfläche des Halbleiterbauelements zugewandte Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats wird vorteilhaft eine reflexionsmindernde Wirkung für die einfallende Strahlung erzielt und auf diese Weise die Effizienz des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements erhöht. Insbesondere wird die einfallende Strahlung an der strukturierten Oberfläche des Siliziumsubstrates geringer reflektiert als bei einem Halbleiterbauelement mit einer ebenen Siliziumoberfläche.The surface structure of the silicon substrate facing the radiation entrance surface of the semiconductor component advantageously achieves a reflection-reducing effect for the incident radiation and thus increases the efficiency of the radiation-detecting semiconductor component. In particular, the incident radiation is reflected less at the structured surface of the silicon substrate than in a semiconductor device with a planar silicon surface.
Darüber hinaus kann mit der Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats nicht nur eine reflexionsmindernde Wirkung erzielt werden, sondern auch die Absorption in den strahlungsabsorbierenden Schichten der Detektorpixel verstärkt werden. Die Erhöhung der Absorption in den strahlungsabsorbierenden Schichten beruht insbesondere auf einer Streuung von Strahlung an der Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats.Moreover, with the surface structure of the silicon substrate, not only a reflection-reducing effect can be obtained but also the absorption in the radiation-absorbing layers of the detector pixels can be enhanced. The increase in the absorption in the radiation-absorbing layers is based in particular on a scattering of radiation on the surface structure of the silicon substrate.
Insbesondere wird zumindest ein Teil der einfallenden Strahlung derart an der Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats gestreut, dass sie an einer gegenüberliegenden Grenzfläche des Halbleiterbauelements totalreflektiert wird. Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement wird daher zumindest von einem Teil der einfallenden Strahlung zweifach oder sogar mehrfach durchquert, wodurch sich die Absorption in den strahlungsabsorbierenden Schichten der Detektorpixel erhöht. In particular, at least part of the incident radiation is scattered on the surface structure of the silicon substrate so as to be totally reflected at an opposite boundary surface of the semiconductor device. The radiation-detecting semiconductor component is therefore traversed twice or even several times by at least part of the incident radiation, which increases the absorption in the radiation-absorbing layers of the detector pixels.
Die strahlungsabsorbierende Schicht innerhalb eines jeden Detektorpixels weist vorteilhaft eine Dicke von weniger als 2 µm auf. Dadurch, dass das Siliziumsubstrat mit der Oberflächenstruktur durch eine Verminderung der Reflexion und durch Streuung der einfallenden Strahlung die Effizienz des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements erhöht, kann vorteilhaft mit einer vergleichsweise dünnen strahlungsabsorbierenden Schicht eine hohe Absorption erzielt werden. Bevorzugt beträgt die Dicke der strahlungsabsorbierenden Schicht weniger als 1 µm, besonders bevorzugt weniger als 0,5 µm. Die geringe Schichtdicke der strahlungsabsorbierenden Schicht hat den Vorteil, dass sich die Transitzeit der erzeugten Ladungsträger vermindert, dass sich der Herstellungsaufwand verringert, und dass die Kompatibilität mit anderen Herstellungsschritten gewahrt bleibt.The radiation-absorbing layer within each detector pixel advantageously has a thickness of less than 2 μm. The fact that the silicon substrate having the surface structure increases the efficiency of the radiation-detecting semiconductor component by reducing the reflection and by scattering the incident radiation advantageously enables a high absorption to be achieved with a comparatively thin radiation-absorbing layer. The thickness of the radiation-absorbing layer is preferably less than 1 μm, more preferably less than 0.5 μm. The small layer thickness of the radiation-absorbing layer has the advantage that the transit time of the charge carriers produced is reduced, that the production costs are reduced, and that the compatibility with other production steps is maintained.
Die Funktionen der Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats als reflexionsmindernde Struktur und als lichtstreuende Struktur können durch die Größen der Strukturelemente der Oberflächenstruktur gezielt beeinflusst werden. Die Strukturelemente sind zum Beispiel eine Vielzahl von vorzugsweise statistisch verteilten Erhebungen.The functions of the surface structure of the silicon substrate as a reflection-reducing structure and as a light-scattering structure can be influenced in a targeted manner by the sizes of the structural elements of the surface structure. The structural elements are, for example, a multiplicity of preferably statistically distributed elevations.
Bevorzugt weist die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats Strukturelemente auf, deren Breite im Mittel zwischen 10 nm und 5 µm beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Breite der Strukturelemente zwischen nicht mehr als 1 µm, beispielsweise zwischen 100 nm und 1 µm.The surface structure of the silicon substrate preferably has structural elements whose average width is between 10 nm and 5 μm. The width of the structural elements is particularly preferably between not more than 1 μm, for example between 100 nm and 1 μm.
Die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats weist vorzugsweise Strukturelemente auf, deren Höhe im Mittel zwischen 500 nm und 10 µm beträgt. Die Höhe der Strukturelemente ist vorzugsweise größer als die Breite der Strukturelemente. Die Oberflächenstruktur zeichnet sich vorteilhaft durch ein hohes Aspektverhältnis aus. Das Aspektverhältnis der Oberflächenstruktur, das heißt das Verhältnis der Höhe zur Breite der Strukturen, beträgt vorteilhaft mindestens 1, bevorzugt mindestens 2, mindestens 5 oder sogar mindestens 10.The surface structure of the silicon substrate preferably has structural elements whose height is on average between 500 nm and 10 microns. The height of the structural elements is preferably greater than the width of the structural elements. The surface structure is advantageously characterized by a high aspect ratio. The aspect ratio of the surface structure, that is to say the ratio of the height to the width of the structures, is advantageously at least 1, preferably at least 2, at least 5 or even at least 10.
Die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats kann insbesondere nadelförmige Strukturen aufweisen. Die Herstellung derartiger Strukturen mit einem Plasmaätzverfahren ist an sich bekannt und wird daher nicht näher erläutert.The surface structure of the silicon substrate may in particular have needle-shaped structures. The production of such structures with a plasma etching process is known per se and is therefore not explained in detail.
Durch die Streuung der einfallenden Strahlung in das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement erhöht sich zwar die gesamte optische Absorption in den strahlungsabsorbierenden Schichten. Allerdings wird ein Teil der Strahlung, die in einer einem Detektorpixel direkt gegenüberliegenden Teilfläche der Strahlungseintrittsfläche eingekoppelt wird, in Folge der Streuung nicht in eben jenem der Teilfläche gegenüberliegenden Detektorpixel absorbiert, sondern vielmehr in benachbarten Pixeln. Dies führt, insofern das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement als Bildsensor verwendet wird, zu einem zumindest teilweisen Verlust der Bildinformation.Although the scattering of the incident radiation into the radiation-detecting semiconductor component increases the total optical absorption in the radiation-absorbing layers. However, a part of the radiation which is coupled in a partial surface of the radiation entrance surface which is directly opposite a detector pixel, as a result of the scattering, is not absorbed in precisely that detector pixel opposite the partial surface, but rather in neighboring pixels. This leads, insofar as the radiation-detecting semiconductor component is used as an image sensor, to an at least partial loss of the image information.
Um den Verlust der Bildqualität durch die gestreute Lichteinkopplung an der Oberflächenstruktur zu verhindern und gleichzeitig von der damit einhergehenden Absorptionserhöhung in den Detektorpixeln zu profitieren, können vorteilhaft zwei Maßnahmen, idealerweise gemeinsam, ergriffen werden.In order to prevent the loss of image quality due to the scattered coupling of light on the surface structure and at the same time benefit from the associated increase in absorption in the detector pixels, advantageously two measures can be taken, ideally together.
Erstens ist dies die vorteilhafte Verwendung möglichst dünner Siliziumsubstrate, da hierdurch der laterale Strahlversatz eines gestreut an der Oberflächenstruktur in das Halbleiterbauelement eingekoppelten Lichtstrahls verringert wird. Hierdurch verringert sich der Anteil des eingekoppelten Lichtes, das in benachbarten Pixeln absorbiert wird (im Folgenden als „Übersprechen“ bezeichnet), kontinuierlich mit sinkender Substratdicke. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Siliziumsubstrat dünner als 100 µm. Das Siliziumsubstrat kann insbesondere dünner als 50 µm oder sogar dünner als 10 µm sein.First, this is the advantageous use of the thinnest possible silicon substrates, as this reduces the lateral beam offset of a light beam scattered on the surface structure into the semiconductor component. As a result, the proportion of the coupled-in light which is absorbed in adjacent pixels (referred to as "crosstalk" hereinafter) decreases continuously as the substrate thickness decreases. In a preferred embodiment, the silicon substrate is thinner than 100 microns. The silicon substrate may in particular be thinner than 50 μm or even thinner than 10 μm.
Da der Verwendung sehr dünner Substrate prozesstechnische Grenzen, z.B. hinsichtlich der mechanischen Stabilität während der Herstellung, gesetzt sind, ist die vorteilhafte Ausdünnung dickerer Substrate im Anschluss an die Prozessführung auf der dem Strahlungseintritt gegenüberliegenden Seite eine weitere praktikable Methode zur Verringerung des Übersprechens. Dieses Ausdünnen kann vorteilhaft und insbesondere im Anschluss an die Wafer- bzw. Sensorfertigung auf der Substratvorderseite von der Substratrückseite her, welche mit der Strahlungseintrittsfläche übereinstimmt, erfolgen. Nach erfolgtem Ausdünnen kann dann auf der Substratrückseite die Herstellung der streuenden oder beugenden Oberflächenstruktur am Ende der Prozesskette erfolgen.Since the use of very thin substrates has process limitations, e.g. With regard to the mechanical stability during production, the advantageous thinning of thicker substrates following the process control on the side opposite the radiation entrance is another practical method for reducing crosstalk. This thinning can be carried out advantageously and in particular following the wafer or sensor production on the substrate front side from the substrate rear side, which coincides with the radiation entrance surface. After thinning out, the production of the scattering or diffractive surface structure at the end of the process chain can then take place on the substrate back side.
Eine zweite vorteilhafte Methode zur Verringerung des Übersprechens ist die Herstellung niedrigbrechender Gräben oder Einschlüsse (im Folgenden als „optische Gräben“ bezeichnet) zwischen den einzelnen Detektorpixeln. In Folge von innerer Totalreflexion und partieller Reflexion wird somit das, in der einem Detektorpixel gegenüberliegenden Teilfläche der Strahlungseintrittsfläche gestreut eingekoppelte Licht effizient zum dem betreffenden Detektorpixel hingeführt. Dieser Lichtführungseffekt kann analog zur Lichtführung in optischen Wellenleitern verstanden werden. Der maximale Akzeptanzwinkel für Lichtführung steigt hierbei mit der Brechzahldifferenz zwischen dem Siliziumsubstrat und einem Füllmaterial der optischen Gräben. Das Füllmaterial ist daher vorteilhaft möglichst niedrigbrechend. Die Brechzahl beträgt vorteilhaft maximal 3, bevorzugt maximal 2 und besonders bevorzugt maximal 1,5.A second advantageous method for reducing crosstalk is the production of low-index trenches or inclusions (referred to as "optical trenches" hereinafter) between the individual detector pixels. As a result of total internal reflection and partial reflection, the light which is scattered and scattered in the partial surface of the radiation entrance surface opposite a detector pixel is thus efficiently guided to the relevant detector pixel. This light guiding effect can be understood analogously to the light guidance in optical waveguides. In this case, the maximum acceptance angle for light guidance increases with the refractive index difference between the silicon substrate and a filling material of the optical trenches. The filler is therefore advantageous as low as possible. The refractive index is advantageously at most 3, preferably at most 2 and particularly preferably at most 1.5.
Die die Detektorpixel trennenden Gräben oder Einschlüsse können sich von der Strahlungseintrittsfläche aus oder von einer der Strahlungseintrittsfläche abgewandten Substratvorderseite, oder gleichzeitig von beiden Seiten aus in das Siliziumsubstrat hinein erstrecken.The trenches or inclusions separating the detector pixels may extend from the radiation entrance surface or from a substrate front side facing away from the radiation entrance surface, or simultaneously into the silicon substrate from both sides.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements sind die Detektorpixel durch Gräben oder Einschlüsse eines niedrigbrechenden, nichtleitenden Materials mit einer Brechzahl kleiner 3,5, besonders bevorzugt mit einer Brechzahl von weniger als 2, optisch und elektrisch voneinander separiert. Vorzugsweise sind die Detektorpixel durch Gräben, die mit Siliziumoxid, Siliziumnitrid, einem Polymer oder Luft gefüllt sind, voneinander separiert.In a preferred embodiment of the radiation-detecting semiconductor component, the detector pixels are optically and electrically separated from one another by trenches or inclusions of a low-refractive, non-conductive material having a refractive index of less than 3.5, particularly preferably having a refractive index of less than 2. Preferably, the detector pixels are separated from each other by trenches filled with silicon oxide, silicon nitride, a polymer or air.
Für realistische Streuwinkelverteilungen der Oberflächenstruktur reduzieren optische Gräben, welche sich über die gesamte Dicke des Substrats erstrecken, das Übersprechen in Nachbarpixel nahezu vollständig. Die optischen Gräben erstrecken sich vorteilhaft allerdings nicht über die gesamte Substratdicke. Vielmehr bleibt, insbesondere aus Gründen der mechanischen Stabilität des Substrats, eine gewisse Restdicke eines durchgängigen Siliziumsubstrats, bestehen. In diesem Fall tritt ein endliches Übersprechen auf, welches die Bildqualität mit zunehmender Restdicke des durchgängigen Substrats verringert. Aus diesem Grund ist die Restdicke so dünn wie möglich zu wählen. Die Restdicke des Siliziumsubstrats im Bereich der optischen Gräben beträgt daher vorteilhaft maximal 30 µm, bevorzugt maximal 10 µm und besonders bevorzugt maximal 5 µm.For realistic scattering angle distributions of the surface structure, optical trenches which extend over the entire thickness of the substrate reduce the crosstalk in neighboring pixels almost completely. However, the optical trenches advantageously do not extend over the entire substrate thickness. Rather, remains, in particular for reasons of mechanical stability of the substrate, a certain residual thickness of a continuous silicon substrate exist. In this case, a finite crosstalk occurs which reduces image quality as the residual substrate thickness increases. For this reason, the remaining thickness should be as thin as possible. The residual thickness of the silicon substrate in the region of the optical trenches is therefore advantageously not more than 30 μm, preferably not more than 10 μm and particularly preferably not more than 5 μm.
Alternativ können die optischen Gräben vorteilhaft nur lokal geätzt werden. So können beispielsweise lokale Stege als Stützstrukturen zwischen den Detektorpixeln beibehalten werden, um die mechanische Stabilität des Substrats zu erhalten. Die optischen Gräben zwischen den Detektorpixeln wären demnach zwar an den Positionen der Stege lokal unterbrochen. Sind die Stege hingegen nur klein genug, ist ein weitgehendes Unterdrücken des Übersprechens dennoch möglich. Im Extremfall wäre es damit sogar möglich, die optischen Gräben über die gesamte Substratdicke herzustellen, wobei die Detektorpixel nur noch über die verbliebenen Stegstrukturen mechanisch miteinander verbunden sind.Alternatively, the optical trenches can advantageously only be etched locally. For example, local lands may be maintained as support structures between the detector pixels to maintain the mechanical stability of the substrate. The optical trenches between the detector pixels would accordingly be locally interrupted at the positions of the webs. By contrast, if the bars are only small enough, it is still possible to suppress the crosstalk as far as possible. In extreme cases, it would even be possible to produce the optical trenches over the entire substrate thickness, wherein the detector pixels are mechanically connected to one another only via the remaining web structures.
Die strahlungsabsorbierende Schicht der Detektorpixel enthält vorzugsweise Germanium oder besteht daraus. Insbesondere umfasst die strahlungsabsorbierende Schicht SixGeySnzPbw mit 0 ≤ x < 1, 0 < y ≤ 1, 0 ≤ z < 1 und 0 ≤ w < 1 oder besteht daraus. Diese Legierungen sind insbesondere zur Herstellung eines strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements für Wellenlängen, die größer als 1100 nm sind, geeignet. Insbesondere sind folgende Materialien für die strahlungsabsorbierenden Schichten geeignet: SixGeySnz mit 0 ≤ x < 1, 0 < y ≤ 1 und 0 ≤ z < 1; SixGey mit 0 ≤ x < 1 und 0 < y ≤ 1 sowie PbxGey mit 0 ≤ x < 1 und 0 < y ≤ 1.The radiation-absorbing layer of the detector pixels preferably contains or consists of germanium. In particular, the radiation-absorbing layer comprises Si x Ge y Sn z Pb w with 0 ≦ x <1, 0 <y ≦ 1, 0 ≦ z <1 and 0 ≦ w <1 or consists thereof. These alloys are particularly suitable for producing a radiation-detecting semiconductor device for wavelengths greater than 1100 nm. In particular, the following are Materials suitable for the radiation-absorbing layers: Si x Ge y Sn z with 0 ≦ x <1, 0 <y ≦ 1 and 0 ≦ z <1; Si x Ge y with 0 ≤ x <1 and 0 <y ≤ 1 and Pb x Ge y with 0 ≤ x <1 and 0 <y ≤ 1.
Bei dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelement sind die strahlungssensitiven Detektorpixel vorteilhaft an einer der Strahlungseintrittsfläche gegenüber liegenden Vorderseite des Siliziumsubstrats angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung trifft die einfallende Strahlung zunächst auf die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats auf der Substratrückseite und erreicht die Detektorpixel nach der Durchquerung des Siliziumsubstrats. Die Vorderseite des Siliziumsubstrats, auf welcher sich die Detektorpixel befinden, kann bei dieser Ausgestaltung eine ebene Fläche sein. Bei dieser Ausgestaltung unterscheiden sich die Brechungsindizes des Siliziumsubstrats und der strahlungsabsorbierenden Schicht vorzugsweise nur geringfügig voneinander, so dass die Reflexion der einfallenden Strahlung an der Grenzfläche zwischen der Vorderseite des Siliziumsubstrats und der strahlungsabsorbierenden Schicht in den Detektorpixeln nur gering ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die strahlungsabsorbierende Schicht aus Germanium besteht, da sich die Brechungsindizes von Silizium und Germanium nur geringfügig voneinander unterscheiden.In the case of the radiation-detecting semiconductor component, the radiation-sensitive detector pixels are advantageously arranged on a front side of the silicon substrate opposite the radiation entrance surface. In this embodiment, the incident radiation first strikes the surface structure of the silicon substrate on the substrate rear side and reaches the detector pixels after passing through the silicon substrate. The front side of the silicon substrate on which the detector pixels are located may be a flat surface in this embodiment. In this embodiment, the refractive indices of the silicon substrate and the radiation-absorbing layer preferably differ only slightly from one another, so that the reflection of the incident radiation at the interface between the front side of the silicon substrate and the radiation-absorbing layer in the detector pixels is only slight. This is the case, for example, when the radiation-absorbing layer consists of germanium, since the refractive indices of silicon and germanium differ only slightly from one another.
Bei einer Ausgestaltung ist zwischen dem Siliziumsubstrat und der strahlungsabsorbierenden Schicht mindestens eine Zwischenschicht angeordnet. Die mindestens eine Zwischenschicht ist beispielsweise eine Pufferschicht, die vorteilhaft die Fehlanpassung der Kristallgitter von Silizium und Germanium bzw. SixGeySnzPbw ausgleicht und so das epitaktische Aufwachsen der Germanium-Schicht bzw. SixGeySnzPbw-Schicht in hoher Schichtqualität ermöglicht. Die mindestens eine Zwischenschicht kann beispielsweise eine Gradientenschicht mit räumlich variierender Materialzusammensetzung sein, z.B. die SixGe1-x mit 0 ≤ x ≤ 1 aufweist. In der Gradientenschicht kann der Germaniumanteil beispielsweise in Richtung der Germanium-Schicht schrittweise oder kontinuierlich zunehmen. Weiterhin kann diese mindestens eine Zwischenschicht nur aus Germanium bestehen, die durch spezielle Ausheilprozesse bei hohen Temperaturen eine geringe Durchstoßversetzungsdichte aufweist.In one embodiment, at least one intermediate layer is arranged between the silicon substrate and the radiation-absorbing layer. The at least one intermediate layer is, for example, a buffer layer which advantageously compensates for the mismatch of the crystal lattice of silicon and germanium or Si x Ge y Sn z Pb w and thus the epitaxial growth of the germanium layer or Si x Ge y Sn z Pb w . Layer in high quality layer allows. The at least one intermediate layer may be, for example, a gradient layer with spatially varying material composition, for example having Si x Ge 1-x with 0 ≦ x ≦ 1. In the gradient layer, the germanium content may increase stepwise or continuously in the direction of the germanium layer, for example. Furthermore, this at least one intermediate layer may consist only of germanium, which has a low puncture dislocation density by special annealing processes at high temperatures.
Die Detektorpixel des Halbleiterbauelements können insbesondere Photodioden, Photowiderstände, Metall-Oxid-Halbleiter-Kapazitäten oder Phototransistoren sein. Zur elektrischen Kontaktierung der Detektorpixel können diese mit Elektroden versehen werden, ebenso wie die Substratvorderseite oder die Substratrückseite.The detector pixels of the semiconductor component may in particular be photodiodes, photoresistors, metal oxide semiconductor capacitors or phototransistors. For electrical contacting of the detector pixels they can be provided with electrodes, as well as the substrate front side or the substrate rear side.
Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ist insbesondere zur Bilderfassung im Spektralbereich größer 1100 nm geeignet. Dadurch, dass die Detektorpixel des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements jeweils eine strahlungsabsorbierende Schicht enthalten, die zur Absorption von Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 1100 nm geeignet sind, können die Detektorpixel vorteilhaft Strahlung im infraroten Spektralbereich detektieren, wodurch Bilder im infraroten Spektralbereich aufgenommen werden können. Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement sowohl Strahlung im sichtbaren Spektralbereich als auch Strahlung im infraroten Spektralbereich detektiert, sodass gleichzeitig sowohl Bilder im sichtbaren, als auch im infraroten Spektralbereich aufgenommen werden können. Beispielsweise kann unterhalb eines Infrarotabsorbers aus SixGeySnzPbw, dem Siliziumsubstrat zugewandt, ein reiner Siliziumabsorber nur zur Absorption von Strahlung im sichtbaren Spektralbereich eingesetzt werden.The radiation-detecting semiconductor component is particularly suitable for image acquisition in the spectral range greater than 1100 nm. By virtue of the fact that the detector pixels of the radiation-detecting semiconductor component each contain a radiation-absorbing layer which is suitable for absorbing radiation having a wavelength of more than 1100 nm, the detector pixels can advantageously detect radiation in the infrared spectral range, as a result of which images in the infrared spectral range can be recorded. In particular, it can also be provided that the radiation-detecting semiconductor component detects both radiation in the visible spectral range and radiation in the infrared spectral range, so that both images in the visible and in the infrared spectral range can be recorded simultaneously. For example, below an infrared absorber of Si x Ge y Sn z Pb w , facing the silicon substrate, a pure silicon absorber can only be used for absorbing radiation in the visible spectral range.
Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ist vorteilhaft zur parallelen, mehrkanaligen Detektion von Strahlung geeignet. Die strahlungsabsorbierenden Schichten der Detektorpixel des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements sind vorzugsweise Bestandteil von Photodioden, Phototransistoren, Photowiderständen oder Metall-Oxid-Halbleiter-Kapazitäten.The radiation-detecting semiconductor component is advantageously suitable for parallel, multi-channel detection of radiation. The radiation-absorbing layers of the detector pixels of the radiation-detecting semiconductor component are preferably part of photodiodes, phototransistors, photoresistors or metal-oxide-semiconductor capacitances.
Die Ansteuerung und Auslesung der in jedem Detektorpixel einfallenden oder über ein Zeitintervall gesammelten Lichtmenge erfolgt vorzugsweise mittels einer pixelweisen Verarbeitungselektronik.The activation and readout of the amount of light incident in each detector pixel or collected over a time interval is preferably effected by means of pixel-by-pixel processing electronics.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einer zweidimensionalen Detektorpixelanordnung, -
2 mehrere Rasterelektronenmikroskopaufnahmen exemplarischer Oberflächenstrukturen in Silizium, die zur Lichtstreuung oder -beugung verwendet werden können, -
3 eine schematische Darstellung eines strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einer eindimensionalen Detektorpixelanordnung, -
4 eine skizzenhafte Erklärung des optischen Übersprechens anhand von Querschnittsskizzen eines Ausführungsbeispiels mitsamt den genannten Möglichkeiten zur Unterdrückung des Übersprechens, -
5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, -
6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, -
7 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, -
8 das mittels einer Kombination aus strahlenoptischen und rigoros-optischen Berechnungsmethoden ermittelte Verhalten von Hauptpixelabsorption und Übersprechen als Funktion der Restdicke dr des durchgängigen Siliziumsubstrats für ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement mit einem zweidimensionalen Sensorarray mit einerPixelgröße von 30 µm × 30 µm und je 500 nm dicken strahlungsabsorbierenden Schichten je Pixel, -
9 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer beispielhaften Ausführung eines eindimensionalen Arrays von tiefen optischen Gräben zur Unterdrückung von Übersprechen.
-
1 FIG. 2 a schematic representation of a radiation-detecting semiconductor component according to a first exemplary embodiment with a two-dimensional detector pixel arrangement, FIG. -
2 several scanning electron micrographs of exemplary surface structures in silicon that can be used for light scattering or diffraction -
3 FIG. 2 a schematic representation of a radiation-detecting semiconductor component according to a further exemplary embodiment with a one-dimensional detector pixel arrangement, FIG. -
4 a sketchy explanation of the optical crosstalk with reference to cross-sectional sketches of an embodiment, together with the said possibilities for suppressing crosstalk, -
5 FIG. 2 a schematic representation of a cross section through a radiation-detecting semiconductor component according to a further exemplary embodiment, FIG. -
6 FIG. 2 a schematic representation of a cross section through a radiation-detecting semiconductor component according to a further exemplary embodiment, FIG. -
7 FIG. 2 a schematic representation of a cross section through a radiation-detecting semiconductor component according to a further exemplary embodiment, FIG. -
8th the behavior of main pixel absorption and crosstalk as a function of the residual thickness d r of the continuous silicon substrate for a radiation-detecting semiconductor component with a two-dimensional sensor array having a pixel size of 30 μm × 30 μm and 500 nm thick radiation-absorbing layers, respectively, determined by a combination of optical radiation and rigorous optical calculation methods each pixel, -
9 a scanning electron micrograph of an exemplary embodiment of a one-dimensional array of deep optical trenches to suppress crosstalk.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.Identical or equivalent components are each provided with the same reference numerals in the figures. The components shown and the size ratios of the components with each other are not to be considered as true to scale.
Das in
Eine derartige Oberflächenstruktur
Neben statistischen optischen Streustrukturen können auch deterministische Streustrukturen eingesetzt werden. Derartige diffraktive optische Elemente (DOE) bzw. computer-generierte Hologramme (CGH) können mittels Lithografie und Strukturübertrag durch Ätzen im Siliziumsubstrat
Wie in
Aufgrund der Oberflächenstruktur
Ein weiterer vorteilhafter Effekt der Oberflächenstruktur
Aufgrund der durch die vorteilhaften Wirkungen der Oberflächenstruktur
Durch die vergleichsweise geringen Dicken der strahlungsabsorbierenden Schichten
Ein weiterer Vorteil der geringen Dicken der strahlungsabsorbierenden Schichten ist der geringe Herstellungsaufwand. Nicht zuletzt erlauben hoch standardisierte Fertigungsverfahren der Halbleiterindustrie keine beliebig dicken strahlungsabsorbierenden Schichten
Eine negative Begleiterscheinung der streuenden Lichteinkopplung in das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement
Da der laterale Strahlversatz eines gestreut eingekoppelten Lichtstrahls
Eine weitere Möglichkeit zur Unterdrückung des optischen Übersprechens, ggf. in Kombination mit einer geringen Substratdicke, ist in der Teilfigur (c) der
Damit die Herstellung der optischen Gräben
Aus optischer Sicht ist es unerheblich, ob die Herstellung der optischen Gräben
Im Ausführungsbeispiel der
Im Ausführungsbeispiel der
Mit Hilfe von numerischen Berechnungen, welche sowohl die diffraktive Wirkung der streuend einkoppelnden Oberflächenstruktur
Wie der
Praktisch kann die Umsetzung derart tiefer optischer Gräben
Eine beispielhafte experimentelle Umsetzung eines derart tiefen und zugleich schmalen Grabens ist in
Zur Füllung der optischen Gräben
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. The invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, which in particular includes any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Siliziumsubstratsilicon substrate
- 22
- Detektorpixeldetector pixels
- 33
- Oberflächenstruktursurface structure
- 44
- optische Gräbenoptical trenches
- 55
- Strahlungseintrittsfläche auf SubstratrückseiteRadiation entrance surface on the back of the substrate
- 66
- SubstratvorderseiteSubstrate front
- 77
- Boden der optischen GräbenGround of the optical trenches
- 88th
- strahlungsabsorbierende Schichtradiation-absorbing layer
- 99
- Strahlungradiation
- 1010
- strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelementradiation-detecting semiconductor component
- 1111
- Streulichtscattered light
- 1212
- KurveCurve
- 1313
- KurveCurve
- 1414
- Strukturelementstructural element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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| WO2018219915A1 (en) | 2018-12-06 |
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