Die Erfindung betrifft ein hybrides multispektrales Bauelement, das zur Detektion und/oder Emission von Licht in verschiedenen Spektralbereichen geeignet ist.

Um verschiedene Spektralbereiche des Lichts, bspw. sichtbares Licht, Licht im Infrarotbereich und/oder Licht im UV-Bereich, mit einem Fotodetektor-Bauelement detektieren zu können, sind Bauelemente mit mehreren Sensoren, die unterschiedliche Funktionsschichten aufweisen und damit Licht aus unterschiedlichen Spektralbereichen detektieren, bekannt. So beschreibt bspw. die DE 10 2015 109 044 A1 ein Bauteil mit einem Substrat, auf dessen einer Seite eine erste Funktionsschicht zur Detektion von Licht aus einem ersten Wellenlängenbereich und auf dessen anderer Seite eine zweite Funktionsschicht zur Detektion von Licht aus einem zweiten Wellenlängenbereich angeordnet sind. Dabei liegen die einzelnen Funktionsschichten immer übereinander, wodurch ein hoher Füllgrad, d.h. eine große Anzahl von Sensorelementen pro Fläche, erreicht werden kann. Die erste Funktionsschicht und das Substrat sind transparent für Licht in dem zweiten Wellenlängenbereich ausgebildet.

Die US 2003/0209651 A1 beschreibt eine farbsensitive Vorrichtung zur Detektion von Licht verschiedener Wellenlänge, insbesondere von rotem grünen und blauen Licht im sichtbaren Bereich. Die Vorrichtung weist einen ersten lichtempfangenden Teil, der zur Detektion von Licht eines ersten Wellenlängenbereichs geeignet ist, und einen zweiten lichtempfangenden Teil, der zur Detektion von Licht eines zweiten Wellenlängenbereichs geeignet ist, auf. Der erste und der zweite Teil sind so angeordnet, dass das einfallende Licht den ersten Teil durchläuft und dann von dem zweiten Teil empfangen wird. Die zentrale Wellenlänge des ersten Wellenlängenbereichs ist dabei größer als die zentrale Wellenlänge des zweiten Wellenlängenbereichs.

Nachteilig an diesem Aufbau ist die eingeschränkte Auswahl der Wellenlängenbereiche aufgrund der Materialien der Funktionsschichten und des Substrates und der notwendigen Transparenz der ersten Funktionsschicht und des Substrates für Licht des zweiten Wellenlängenbereichs sowie in der begrenzten spektralen Auflösung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein hybrides multispektrales Bauelement bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik verringert. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein hybrides multispektrales Bauelement nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße hybride multispektrale Bauelement enthält ein Substrat, mindestens ein erstes Funktionselement und mindestens ein zweites Funktionselement. Dabei ist das erste Funktionselement auf einer ersten Oberfläche des Substrats angeordnet und enthält eine erste Funktionsschicht, die zur Detektion oder Emission von Licht eines ersten Wellenlängenbereiches geeignet ist. Das zweite Funktionselement ist auf einer zweiten Oberfläche des Substrats angeordnet, die der ersten Oberfläche des Substrats gegenüberliegt, und enthält eine zweite Funktionsschicht, die zur Detektion oder Emission von Licht eines zweiten Wellenlängenbereiches geeignet ist. Dabei ist der zweite Wellenlängenbereich von dem ersten Wellenlängenbereich verschieden, kann jedoch auch teilweise mit dem ersten Wellenlängenbereich überlappen. Unter Licht wird im Sinne dieser Erfindung in beiden Fällen elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen 250 nm (UV-Bereich) bis ca. 10 pm (Infrarot-Bereich) verstanden. Der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich sind jeweils Teilbereiche dieses Bereichs. Selbstverständlich können das erste Funktionselement und das zweite Funktionselement neben der ersten bzw. zweiten Funktionsschicht auch weitere Schichten, z.B. Elektrodenschichten, enthalten. Darüber hinaus können die erste und/oder die zweite Funktionsschicht auch Schichtaufbauten aus mehreren Schichten sein.

„Auf der Oberfläche angeordnet“ bedeutet, dass das Funktionselement direkt an die jeweilige Oberfläche angrenzt oder dass eine oder mehrere Schichten des Funktionselements ganz oder teilweise in einem Substratbereich, der an die Oberfläche angrenzt, ausgebildet sind. Darüber hinaus können auch weitere Schichten zwischen dem Funktionselement und der jeweiligen Oberfläche angeordnet sein.

Oberfläche angrenzt oder dass eine oder mehrere Schichten des Funktionselements ganz oder teilweise in einem Substratbereich, der an die Oberfläche angrenzt, ausgebildet sind. Darüber hinaus können auch weitere Schichten zwischen dem Funktionselement und der jeweiligen Oberfläche angeordnet sein.

Erfindungsgemäß ist das erste Funktionselement in einem ersten lateralen Bereich des multispektralen Bauelements angeordnet, während das zweite Funktionselement in einem zweiten lateralen Bereich des multispektralen Bauelements angeordnet ist. Dabei sind der erste laterale Bereich und der zweite laterale Bereich so lateral versetzt zu einander angeordnet, dass das Licht des zweiten Wellenlängenbereichs das zweite Funktionselement erreicht, ohne die erste Funktionsschicht durchlaufen zu haben. Mit anderen Worten: Licht, welches das zweite Funktionselement erreicht, hat auf seinem Weg zum zweiten Funktionselement das Substrat und ggf. vorhandene weitere Schichten, die später erläutert werden, durchlaufen, nicht jedoch die erste Funktionsschicht sowie ggf. vorhandene weitere Schichten des ersten Funktionselements.

Dabei wirken das Substrat und ggf. weitere Schichten des zweiten Funktionselements als optische Filter, die durch ihre optischen Eigenschaften bestimmte Wellenlängenanteile des einfallenden Lichts reflektieren oder absorbieren, während andere Wellenlängenanteile, die in dem zweiten Wellenlängenbereich liegen, wenig verändert oder nahezu unverändert durchgelassen werden. Dies ist bei der Wahl des Substratmaterials sowie ggf. anderer, zwischen der zweiten Funktionsschicht und einer aussendenden Lichtquelle liegender Schichten sowie deren Dicke zu beachten. Vorteilhafterweise wird das Detektionsergebnis des zweiten Funktionselements bzw. das von dem zweiten Funktionselement ausgesendete Licht jedoch nicht von der ersten Funktionsschicht sowie ggf. vorhandenen weiteren Schichten des ersten Funktionselements beeinflusst.

Mit dem erfindungsgemäßen multispektralen Bauelement können gleichzeitig und spektral selektiv Anteile eines Lichts in zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen detektiert und/oder emittiert werden, wobei das Licht, welches in dem ersten und/oder dem zweiten Funktionselement detektiert oder von diesen emittiert wird, jeweils auf derselben Seite des Bauelements auftrifft bzw. dieses verlässt. Dabei gibt es folgende Möglichkeiten zur Ausgestaltung des erfindungsgemäßen multispektralen Bauelements: das erste Funktionselement ist ein emittierendes Element und das zweite Funktionselement ist ein detektierendes Element; das erste Funktionselement ist ein detektierendes Funktionselement und das zweite Funktionselement ist ein emittierendes Element; das erste und das zweite Funktionselement sind beide detektierende Elemente; das erste und das zweite Funktionselement sind beide emittierende Elemente.

Ist mindestens das erste oder das zweite Funktionselement ein detektierendes Element, so kann das in diesem Funktionselement detektierte Licht von einer Lichtquelle oder von mehreren verschiedenen Lichtquellen ausgesendet werden, wobei sich im zweiten Fall das Licht der verschiedenen Lichtquellen überlagern oder zeitlich nacheinander auf das multispektrale Bauelement auftreffen kann. Im Folgenden wird verkürzt von einer Lichtquelle gesprochen, auch wenn mehrere Lichtquellen vorhanden sind. Auch das erste Funktionselement oder das zweite Funktionselement, welches nicht als detektierendes Element dient, kann das Licht bereitstellen, wenn das entsprechende Funktionselement als emittierendes Element ausgebildet ist, wobei das zu detektierende Licht dann von einer zu untersuchenden Probe reflektiert wird. Im weiteren Verlauf soll eine solche reflektierende Probe als Lichtquelle verstanden werden, auch wenn sie als solche gar kein Licht erzeugt, sondern dieses nur - verändert oder unverändert - reflektiert. Solche detektierenden Bauelemente können bspw. für die qualitative und quantitative Bestimmung von Inhaltsstoffen von Lebensmitteln oder anderen Materialien im Bereich des Gesundheitswesens, der Pharmazie, der Lebensmitteltechnik sowie der Anlagen- oder Motorenüberwachung im industriellen Umfeld genutzt werden.

Alle Aussagen zu dem ersten Funktionselement bzw. dem zweiten Funktionselement bzw. dem ersten lateralen Bereich und dem zweiten lateralen Bereich gelten für alle ersten Funktionselemente bzw. alle zweiten Funktionselemente, wenn mehrere derartige erste und/oder zweite Funktionselemente vorhanden sind.

Vorzugsweise ist auf der ersten Oberfläche des Substrates und/oder der zweiten Oberfläche des Substrates in dem zweiten lateralen Bereich, d.h. zwischen der zweiten Funktionsschicht und bspw. der Lichtquelle, mindestens eine optische Filterschicht angeordnet. Diese dient der weiteren Steuerung des Wellenlängenbereichs des auf die zweite Funktionsschicht einfallenden Lichts und besteht vorzugsweise aus einem oder mehreren dielektrischen Materialien, die im jeweiligen Spektralbereich hinreichend transparent sind, wie bspw. organische Materialien, Fluoride, Siliziumdioxid (SiO _x ) oder Titandioxid (TiO _x ), oder aus Materialen, deren Absorptionseigenschaften zum optischen Filtern genutzt werden können.

Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise der zweite laterale Bereich auf der Seite der ersten Oberfläche des Substrates von einer optischen Blendenschicht umgeben. Dies bedeutet, dass bspw. die auf der ersten Oberfläche des Substrats im ersten lateralen Bereich angeordneten Schichten des ersten Funktionselements mit einer seitlichen Blendenschicht versehen sind. Jedoch kann die optische Blendenschicht auch einzelstehend oder an der Seite einer ggf. im zweiten lateralen Bereich vorhandenen optischen Filterschicht ausgebildet sein, wenn ein zweiter lateraler Bereich an mindestens einer Seite nicht an einen ersten lateralen Bereich angrenzt. Dabei verringert die Blendenschicht einen Einfall von Streulicht, z.B. aus der ersten Funktionsschicht des ersten lateralen Bereichs, in den zweiten lateralen Bereich oder verhindert diesen vollständig. Die Blendenschicht besteht bspw. aus Silber (Ag), Aluminium (AI), Wolfram oder ähnlichen, CMOS-kompatiblen Materialien. Mit beiden Maßnahmen kann die spektrale Auflösung des zweiten Funktionselements verbessert werden. Darüber hinaus können optische Effekte, insbesondere Filtereffekte, des Substrats durch eine geeignete Materialauswahl der optischen Filterschicht und der optischen Blendenschicht weiter gezielt verstärkt werden, unabhängig vom Material der ersten Funktionsschicht. Des Weiteren dienen diese Schichten auch dem Schutz aktiver integrierter Bauelemente oder Schaltungselemente, die in dem Substrat in anderen lateralen Bereichen als den zweiten lateralen Bereichen vorhanden sein können, vor ungewolltem Streulicht.

Vorzugsweise ist auf der ersten Funktionsschicht auf der von der ersten Oberfläche des Substrats abgewandten Seite eine weitere Schicht angeordnet, die als optischer Filter oder als Spiegel oder als DBR (distributed bragg-reflector, Bragg-Spiegel) dient. Damit kann ein definierter Wellenlängenbereich, der an die erste Funktionsschicht angepasst ist, aus dem von der Lichtquelle einfallenden Licht oder aus dem von der ersten Funktionsschicht emittierten Licht herausgefiltert und die spektrale Auflösung des ersten Funktionselements verbessert werden.

Vorzugsweise sind in dem Substrat aktive integrierte Bauelemente, wie bspw. Transistoren, oder Schaltungselemente enthalten, die der Verarbeitung oder Weiterleitung der aus dem ersten und/oder dem zweiten Funktionselement bei der Detektion von Licht erhaltenen Signale und/oder der Ansteuerung des ersten und/oder des zweiten Funktionselements im Fall von Licht emittierenden Funktionselementen dienen. Dabei sollen als Schaltungselemente Verdrahtungen und Durchkontaktierungen, aber auch passive Bauelemente, wie Widerstände, verstanden werden. Im Ergebnis können in dem Substrat komplexe digitale oder analoge Schaltungen, z.B. in CMOS-Technologie oder in Dünnschichttechnologie, ausgebildet sein. Dabei sind die beschriebenen Bau- oder Schaltungselemente innerhalb des Substrats in einem oder mehreren lateralen Bereichen angeordnet, die nicht dem zweiten lateralen Bereich entsprechen oder Teile davon enthalten. Mit anderen Worten: Die beschriebenen Elemente sind außerhalb des zweiten lateralen Bereichs angeordnet, besonders bevorzugt im ersten lateralen Bereich.

Vorzugsweise enthält das Substrat eine Halbleiter-Schicht. Besonders bevorzugt ist das Substrat ein Halbleiter-Substrat. Die Halbleiter-Schicht oder das Halbleiter-Substrat bestehen vorzugsweise aus einkristallinem oder polykristallinem Silizium, amorphem Silizium oder Indium Gallium Zink Oxid (IGZO). Vorzugsweise sind in der Halbleiter-Schicht oder dem Halbleiter- Substrat die oben erwähnten aktiven integrierten Bauelemente oder Schaltungselemente zumindest teilweise ausgebildet. In Ausführungsformen der Erfindung ist das Substrat ein Verbundsubstrat und enthält mehrere Schichten aus einem oder unterschiedlichen Materialien. So kann bspw. das Substrat aus zwei Halbleiter-Substraten, die miteinander durch Bonden, Kleben oder andere geeignete Fügeverfahren verbunden sind, oder aus einer Halbleiter-Schicht, die auf einem Isolator aufgebracht oder mit diesem durch geeignete Fügeverfahren verbunden ist (Silicon on Insulator, SOI) bestehen. Zudem können Kontakte, Bauelemente und Schaltelemente oder Schaltungen in verschiedenen Schichten des Verbundsubstrats durch Through Silicon Via Technologie (TSV) und Bonden miteinander verbunden werden. Materialien für TSV-Verbindungen sind zum Beispiel Tantal (Ta), Wolfram (W) und Gold (Au). Selbstverständlich können auch andere Materialien, wie Glas, Kunststoffe oder Kunststofffolien, als Verbundsubstrat oder als eine Schicht des Verbundsubstrats eingesetzt werden.

Vorzugsweise enthält die erste Funktionsschicht eine anorganische Schicht oder besteht aus einer solchen. Die anorganische Schicht kann bspw. eine Halbleiterschicht, z.B. aus Silizium, Aluminiumgalliumarsenid, Galliumphosphid, Siliziumcarbid, Zinkselenid oder Indiumgalliumnitrid, sein. Damit können als erste Funktionselemente aus dem Stand der Technik bekannte Halbleiter- Fotodioden (Detektor) oder Halbleiter-Leuchtdioden (LED, light emitting diode) genutzt werden.

Vorzugweise enthält die zweite Funktionsschicht eine organische Schicht oder eine Schicht aus einem Nanomaterial odereine Schicht aus Quantumnanopartikeln oder besteht aus einer solchen Schicht. Derartige Funktionsschichten sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt und die entsprechenden Funktionselemente sind als organische Foto- Detektoren oder Charge-Transfer- Fotodetektoren (CT-Fotodektoren) bspw. in der EP 3 152 785 B1 beschrieben. Als emittierende Funktionselemente können bekannte organische Leuchtdioden (OLED) zum Einsatz kommen. Neben photoaktiven Schichten können innerhalb der organischen Funktionsschicht auch weitere elektronische Bauelemente wie Transistoren oder Widerstände ausgebildet sein, die zusätzliche Schaltungen erlauben.

In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen hybriden multispektralen Bauelements ist das Substrat als ein Verbundsubstrat aus einem Halbleiter-Substrat und einem Glassubstrat oder einem Kunststoffsubstrat ausgebildet, wobei das Halbleiter-Substrat und das Glas- oder Kunststoffsubstrat mittels einer Bondschicht, einer Klebeschicht oder einer anderen Verbindungsschicht miteinander verbunden sind. Auf oder in dem Halbleiter-Substrat ist das erste Funktionselement ausgebildet, wobei die erste Funktionsschicht eine anorganische Schicht aufweist. Auf dem Glas- oder Kunststoffsubstrat ist das zweite Funktionselement ausgebildet, wobei die zweite Funktionsschicht eine organische Schicht oder eine Schicht aus einem Nanomaterial oder eine Schicht aus Quantumnanopartikeln enthält.

Selbstverständlich kann das Substrat auch nur aus einem Halbleiter-Substrat bestehen, auf dessen einer Oberfläche eine dicke Isolatorschicht aufgebracht ist. Dabei ist das erste Funktionselement auf oder in dem Halbleiter-Substrat ausgebildet, wobei die erste Funktionsschicht eine anorganische Schicht aufweist, während das zweite Funktionselement auf der Isolatorschicht ausgebildet ist, wobei die zweite Funktionsschicht eine organische Schicht oder eine Schicht aus einem Nanomaterial oder eine Schicht aus Quantumnanopartikeln enthält.

Zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten Funktionselement enthält das erfindungsgemäße multispektrale Bauelement in einer bevorzugten Ausführungsform weiterhin mindestens ein drittes Funktionselement mit einer dritten Funktionsschicht. Die dritte Funktionsschicht ist zur Detektion oder Emission von Licht eines dritten Wellenlängenbereiches, welches von dem ersten und dem zweiten Wellenlängenbereich verschieden ist, geeignet. Das dritte Funktionselement ist auf der ersten Oberfläche des Substrates oder auf der zweiten Oberfläche des Substrates in einem lateralen Bereich angeordnet ist, der von dem zweiten lateralen Bereich verschieden ist.

Vorzugsweise ist das dritte Funktionselement in dem ersten lateralen Bereich derart angeordnet ist, dass das Licht des dritten Wellenlängenbereichs das dritte Funktionselement erreicht oder das Licht des dritten Wellenlängenbereiches, welches von dem dritten Funktionselement emittiert wird, das multispektrale Bauelement verlässt, nachdem es die erste Funktionsschicht durchlaufen hat. Mit anderen Worten: das dritte Funktionselement ist im ersten lateralen Bereich auf der der Lichtquelle abgewandten Seite bzw. auf der dem Substrat zugewandten Seite des ersten Funktionselements angeordnet. Dabei ist die erste Funktionsschicht transparent für Licht des dritten Wellenlängenbereichs. Selbstverständlich ist es nicht zwingend notwendig, dass in allen ersten lateralen Bereichen des multispektralen Bauelements dritte Funktionselemente ausgebildet sind.

Alternativ oder darüber hinaus können dritte Funktionselemente mit der dritten Funktionsschicht auch in dritten lateralen Bereichen, die von den ersten und zweiten lateralen Bereichen verschieden sind, ausgebildet sein, wobei dann das auf die dritte Funktionsschicht auftreffende Licht nicht vorher die erste Funktionsschicht durchlaufen hat bzw. das von der dritten Funktionsschicht emittierte Licht nicht die erste Funktionsschicht durchläuft, bevor es das multispektrale Bauelement verlässt. In Ausführungsformen ist mindestens das erste Funktionselement oder das zweite Funktionselement zur Detektion von Licht geeignet und liegt in einer Anzahl von größer 1 in dem multispektralen Bauelement vor. Vorzugsweise sind in diesem Fall verschiedene zur Detektion von Licht geeignete erste Funktionselemente und/oder verschiedene zur Detektion von Licht geeignete zweite Funktionselemente geeignet, Licht mit voneinander verschiedenen Wellenlängen im ersten bzw. zweiten Wellenlängenbereich zu detektieren. Damit kann eine weitere spektrale Auflösung des ersten bzw. zweiten Wellenlängenbereichs erreicht werden, wobei verschiedene erste Funktionselemente oder verschiedene zweite Funktionselemente bspw. Licht mit einer Bandbreite von kleiner oder gleich 10 nm für verschiedene Wellenlängen im UV-Bereich, im sichtbaren Bereich oder im Infrarot-Bereich detektieren können. Solch eine Detektion von Licht in unterschiedlichen Ausschnitten des ersten oder des zweiten Wellenlängenbereichs kann bspw. über die Dicke der jeweiligen Funktionsschicht oder durch die Begrenzung der lateralen Ausdehnung der jeweiligen Funktionsschicht, welche bspw. durch Strukturierung zu erreichen ist und als optisches Umschließen oder optisches Umfassen bezeichnet wird, eingestellt werden. Bei der Begrenzung der lateralen Ausdehnung wird die Ausdehnung der Funktionsschicht in einer oder mehreren lateralen Richtungen, die in einer Ebene senkrecht zur Dicke der Funktionsschicht verlaufen, auf einen Wert in der Größenordnung der Wellenlänge des durch die Funktionsschicht detektierten oder emittierten Lichtes begrenzt. Dabei wird ein Wert zwischen der Hälfte der Wellenlänge und dem 50-fachen der Wellenlänge als in der Größenordnung der Wellenlänge angesehen. So kann bspw. die laterale Ausdehnung der Funktionsschicht in einer lateralen Richtung für eine zu detektierende oder emittierende Wellenlänge von 1 pm im Bereich von 0,5 pm bis 50 pm liegen, nicht jedoch in einem Bereich kleiner als 0,5 pm oder größer als 50 pm.

Wie bereits beschrieben, enthält das erfindungsgemäße multispektrale Bauelement vorzugsweise eine Mehrzahl von ersten Funktionselementen und eine Mehrzahl von zweiten Funktionselementen, d.h. eine Mehrzahl von ersten lateralen Bereichen und eine Mehrzahl von zweiten lateralen Bereichen. Dabei sind die ersten lateralen Bereiche und die zweiten lateralen Bereiche rasterartig, zeilenartig oder konzentrisch verteilt über der Fläche des multispektralen Bauelements angeordnet.

Im Sinne der Erfindung können die Ausführungsformen oder einzelne Merkmale hiervon zur Ausgestaltung des multispektralen Bauelements auch miteinander kombiniert werden, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen multispektralen Bauelements mit einem Halbleiter-Substrat im Querschnitt,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen multispektralen

Bauelements mit einem Verbundsubstrat im Querschnitt,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen multispektralen Bauelements mit einem dritten Funktionselement im Querschnitt,

Fig. 4A bis 4C verschiedene beispielhafte Anordnungen der ersten und zweiten

Funktionselemente in Draufsichten auf die erste Oberfläche des Substrates und Fig. 5A bis 5D schematische Ansichten möglicher Ausführungsformen des erfindungsgemäßen multispektralen Bauelements in Bezug auf detektierende und emittierende Funktionselemente.

Die Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform 1 des erfindungsgemäßen hybriden multispektralen Bauelements. Das multispektrale Bauelement enthält beispielhaft vier erste Funktionselemente 10a bis 10d und drei zweite Funktionselemente 20a bis 20c sowie ein Substrat 100. Das Substrat

100 hat eine erste Oberfläche 101 und eine zweite Oberfläche 102, die der ersten Oberfläche

101 gegenüber liegt. Die ersten Funktionselemente 10a bis 10d sind auf der ersten Oberfläche

101 angeordnet, während die zweiten Funktionselemente 20a bis 20c auf der zweiten Oberfläche

102 angeordnet sind. Die ersten Funktionselemente 10a bis 10d weisen eine erste Funktionsschicht 11 auf, die geeignet ist, Licht in einem ersten Wellenlängenbereich A1 zu detektieren, bspw. durch photoelektrische Umwandlung. Die zweiten Funktionselemente 20a bis 20c weisen eine zweite Funktionsschicht 21 auf, die geeignet ist, Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich A2, der vom ersten Wellenlängenbereich A1 verschieden ist, zu detektieren. Auch hierbei kann bspw. die photoelektrische Umwandlung von Energie genutzt werden. Die erste Funktionsschicht 11 kann bspw. eine Halbleiterschicht, bspw. aus Silizium, sein, die Licht im UV-Bereich oder im sichtbaren Bereich detektieren kann, während die zweite Funktionsschicht 21 bspw. eine organische Schicht sein kann, die Licht im Infrarot-Bereich detektieren kann. Das Licht, in Fig. 1 durch die Pfeile dargestellt, wird von einer Lichtquelle 30 oder von verschiedenen Lichtquellen ausgestrahlt und trifft immer auf der Seite des multispektralen Bauelements 1 , die an die erste Oberfläche 101 angrenzt, auf das multispektrale Bauelement 1 auf. Auf der dem einfallenden Licht zugewandten Seite der ersten Funktionsschicht 11 , d.h. die Seite, welche nicht an die erste Oberfläche 101 des Substrats 100 angrenzt, kann eine optische Funktionsschicht angeordnet sein, die bspw. eine erste DBR-Schicht 12 ist. Diese optische Funktionsschicht kann für unterschiedliche erste Funktionselemente 10a bis 10d verschieden sein und unterschiedliche Filterfunktionen realisieren, so dass bspw. in einem ersten der ersten Funktionselemente 10a nur blaue Anteile des einfallenden Lichts, also Licht im Wellenlängenbereich 380 nm < A1 1 < 490 nm, detektiert wird, während in einem zweiten der ersten Funktionselemente 10b nur rote Anteile des einfallenden Lichts, also Licht im Wellenlängenbereich 585 nm < A12 < 750 nm, detektiert wird. Selbstverständlich können auch andere Wellenlängenbereiche ausgewählt werden. Die optische Funktionsschicht kann direkt auf ein oder mehrere erste Funktionselemente 10a bis 10d mittels bekannter Abscheideverfahren aufgebracht werden. Alternativ ist es möglich, die optische Funktionsschicht für einzelne, mehrere oder alle erste Funktionselemente auf einem separaten Substrat anzuordnen oder in diesem auszubilden, wobei das separate Substrat dann mittels eines Fügeverfahrens, z.B. Bonden oder Kleben, mit dem oder den ersten Funktionselementen verbunden wird.

Die zweiten Funktionselemente 20a bis 20c weisen neben der zweiten Funktionsschicht 21 zwei Elektrodenschichten 22 und 23 auf, von denen eine, die Elektrode 23. auf der der zweiten Oberfläche 102 des Substrates 100 zugewandten Seite der zweiten Funktionsschicht 21 angeordnet und transparent für Licht im zweiten Wellenlängenbereich K2 ist, während die andere auf der der zweiten Oberfläche 102 abgewandten Seite der zweiten Funktionsschicht 21 angeordnet ist und opak im zweiten Wellenlängenbereich K2 sein kann.

Erfindungsgemäß sind die ersten Funktionselemente 10a bis 10d in ersten lateralen Bereichen 110 des Substrates 100 angeordnet, während die zweiten Funktionselemente 20a bis 20c in zweiten lateralen Bereichen 120 des Substrates 100 angeordnet sind, die von den ersten lateralen Bereichen 1 10 verschieden sind. Die ersten lateralen Bereiche 1 10 und die zweiten lateralen Bereiche 120 überlappen sich nicht, so dass die ersten Funktionselemente 10a bis 10d und die zweiten Funktionselemente 20a bis 20c lateral versetzt zueinander angeordnet sind. Dies bedeutet, dass das Licht, welches in den zweiten Funktionselementen 20a bis 20c ankommt, nicht die erste Funktionsschicht 11 durchlaufen hat. Die ersten und zweiten lateralen Bereiche 110 und 120 können beliebige Formen (Konturen) und beliebige laterale Größen haben und beliebig über die Ausdehnung des Substrates 100 in x-y-Richtung verteilt sein, wobei die Form und die Größe jeweils in einer Draufsicht auf die erst oder zweite Oberfläche 101 bzw. 102 des Substrats 100, d.h. in einer x-y-Ebene bestimmt sind. Die ersten und zweiten lateralen Bereiche 110 und 120 erstrecken sich dabei in ihrer Gesamtheit über die gesamte Ausdehnung des multispektralen Bauelements 1 senkrecht zur lateralen Ausdehnung des Substrates 100, d.h. entlang der z-Richtung, hinweg und können lateral aneinandergrenzen oder voneinander beabstandet sein. In den ersten lateralen Bereichen 1 10 sind in der dargestellten ersten Ausführungsform 1 jeweils integrierte aktive Bauelemente 103 im Substrat 100, welches bspw. ein Halbleiter-Substrat auf Silizium-Basis ist, ausgebildet. Diese dienen bspw. der Verarbeitung von Signalen aus den ersten und/oder zweiten Funktionselementen 10a bis 10d bzw. 20a bis 20c oder einer Ansteuerung verschiedener Funktionselemente.

In den zweiten lateralen Bereichen 120 ist das Substrat 100 transparent für das einfallende Licht zumindest im zweiten Wellenlängenbereich A2. Daher sind dort keine integrierten aktiven Bauelemente 103 ausgebildet. Jedoch kann auf der ersten Oberfläche 101 eine erste Filterschicht 24 in den zweiten lateralen Bereichen 120 angeordnet sein, während auf der zweiten Oberfläche 102 zwischen der zweiten Oberfläche 102 und den zweiten Funktionselementen 20a bis 20c eine zweite Filterschicht 25 angeordnet ist. Die zweite Filterschicht 25 kann sich auch über die zweiten lateralen Bereiche 120 hinaus erstrecken und bspw. auf der gesamten oder nahezu der gesamten zweiten Oberfläche 102 angeordnet sein. Die erste und die zweite Filterschicht 24 und 25 sind zumindest in Teilbereichen des zweiten Wellenlängenbereichs A2 transparent für das einfallende Licht. Selbstverständlich können die erste Filterschicht 24 und/oder die zweite Filterschicht 25 in verschiedenen zweiten lateralen Bereichen 120 verschieden ausgestaltet sein, so dass in verschiedenen zweiten Funktionselementen 20a bis 20c verschiedene Anteile des zweiten Wellenlängenbereichs A2 detektiert werden können. Die zweite Filterschicht 25 dient auch der elektrischen Isolation der Elektroden 23 vom Substrat 100.

Die zweiten lateralen Bereiche 120 sind auf der an die erste Oberfläche 101 angrenzenden Seite des multispektralen Bauelements 1 von einer Blendenschicht 40 in lateraler Richtung, d.h. in allen Richtungen der x-y-Ebene, umgeben, die eine Beeinflussung des auf die zweiten Funktionselemente 20a bis 20c einfallenden Lichts durch Einstreuungen von Licht bspw. aus den ersten lateralen Bereich 110 zu verringern. Die Blendenschicht 40 kann sich auch durch das Substrat 100 hindurch bis zur zweiten Oberfläche 102 erstrecken, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Die Blendenschicht 40 kann darüber hinaus auch die ersten lateralen Bereiche 1 10, d.h. die ersten Funktionselemente 10a bis 10d, die integrierten aktiven Bauelemente 103 und die erste DBR-Schicht 12 vollständig umgeben, auch an den Seiten, wo kein zweiter lateraler Bereich 120 angeordnet ist. Damit werden Verluste durch Streulicht in den ersten Funktionselementen 10a bis 10d verringert.

Die zweiten Funktionselemente 20a bis 20c können jeweils über Kontakte 50, bspw. elektrische Durchkontaktierungen, mit den integrierten aktiven Bauelementen 103 verbunden sein, wobei die Kontakte 50 jeweils an eine Elektrode 23 angrenzen und die zweite Filterschicht 25 durchdringen. Die zweiten Funktionselemente 20a bis 20c sind von einem Gehäuse 60, welches an die zweite Filterschicht 25 oder die zweite Oberfläche 102 des Substrats 100 angrenzt, umgeben und gegen die Umgebung abgegrenzt. Alternativ können die zweiten Funktionselemente 20a bis 20c auch durch eine Beschichtung mit geeigneten Kapselmaterialien, wie bspw. Dünnschichten aus Glas oder alternierenden Dünnschichtlösungen aus Polymeren und Oxiden oder ähnlichen Materialien, gegen Umwelteinflüsse geschützt sein. Das Gehäuse 60 ist vorzugsweise aus Glas oder Kavitäts-Glas, kann aber auch aus verschiedenen Folien & Polymeren im Dünnschichtverbund bestehen.

Die in Figur 2 dargestellte zweite Ausführungsform 2 des multispektralen Bauelements unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform 1 dadurch, dass das Substrat 100‘ als ein Verbundsubstrat aus einem Halbleiter-Substrat 104 und einem Glassubstrat 105, die miteinander durch ein Bond- oder Klebeverfahren verbunden sind, ausgeführt ist. Selbstverständlich kann auch ein anderes Substrat, z.B. ein Kunststoffsubstrat, an Stelle des Glassubstrates 105 verwendet werden. Da sich nunmehr die optischen Eigenschaften des Substrats 100‘ von denen des Substrats 100 unterscheiden, können auch die erste und die zweite Filterschicht 24‘ und 25‘ sich von den entsprechenden Filterschichten 24 und 25 der ersten Ausführungsform 1 unterscheiden oder können auch, einzeln oder gemeinsam, entfallen. Die Kontakte 50 durchdringen nunmehr auch das Glassubstrat 105, um einen elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden 23 und den integrierten elektrischen Bauelementen 103 im Halbleiter-Substrat 104 herzustellen.

Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform 3 des multispektralen Bauelements, die neben den ersten und zweiten Funktionselementen 10a bis 10d und 20a bis 20c dritte Funktionselemente 70a bis 70d enthält. Die dritten Funktionselemente 70a bis 70d sind jeweils auf der die erste Oberfläche 101 enthaltenden Seite des multispektralen Bauelements 3 ausgebildet und sind entweder in den ersten lateralen Bereichen 110 auf der dem einfallenden Licht abgewandten Seite der ersten Funktionselemente 10a bis 10c, wie dies für die dritten Funktionselemente 70b bis 70d dargestellt ist, oder in dritten lateralen Bereichen 130, wie dies für das dritte Funktionselement 70a dargestellt ist, angeordnet. Damit bleiben die zweiten lateralen Bereiche 120 gegenüber den bisherigen Ausführungsformen 1 und 2 unverändert. Die dritten Funktionselemente 70a bis 70d weisen eine dritte Funktionsschicht 71 auf, die Licht in einem dritten Wellenlängenbereich A3 detektieren kann, wobei der dritte Wellenlängenbereich A3 von dem ersten und dem zweiten Wellenlängenbereichen A1 und A2 verschieden ist. In den dritten Funktionselementen 70b bis 70d wird Licht ausgewertet, welches bereits die erste Funktionsschicht 11 des ersten Funktionselements 10a bis 10c durchlaufen hat. Zwischen der ersten Funktionsschicht 1 1 und der dritten Funktionsschicht 71 kann eine Elektrode 80 oder eine andere Zwischenschicht angeordnet sein. Jedoch ist diese nicht unbedingt notwendig. Im dritten lateralen Bereich 130 ist eine optische Funktionsschicht, bspw. eine zweite DBR-Schicht 72, die von der ersten DBR-Schicht 12 verschieden sein kann, angeordnet. Darüber hinaus kann auch im dritten Bereich ein integriertes aktives Bauelement 103 im Substrat 100 ausgebildet sein.

Ein drittes Funktionselement kann jedoch auch auf der zweiten Oberfläche 102 des Substrats 100 in einem ersten lateralen Bereich 100 oder einem dritten lateralen Bereich 130 angeordnet sein. In diesem Fall ist jedoch das Substrat 100 in diesem Bereich zumindest für Licht im dritten Wellenlängenbereich 103 transparent auszubilden, so dass bspw. kein integriertes aktives Bauelement 103 in diesem lateralen Bereich vorhanden sein darf.

In den Figuren 4A bis 4C sind beispielhaft drei verschiedene Anordnungen der ersten und zweiten Funktionselemente 10 bzw. 20 in Draufsichten auf die erste Oberfläche 101 des Substrates dargestellt. Da die zweiten Funktionselemente 20 möglicherweise nicht visuell sichtbar sind, wenn das Substrat nicht im sichtbaren Lichtbereich transparent ist, da sie auf der zweiten Oberfläche des Substrats angeordnet sind, sind die zweiten Funktionselemente 20 nur mit einer gestrichelten Kontur wiedergegeben. Mögliche Filterschichten, die auf den ersten Funktionselementen 10 oder den zweiten Funktionselementen 20 angeordnet sind, sind in diesen Darstellungen zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Jedoch ist für die mittleren ersten und zweiten Funktionselemente 10 und 20 in Fig. 4A die Blendenschicht 40, die die ersten Funktionselemente 10 umgibt und die zweiten lateralen Bereiche, in denen die zweiten Funktionselemente 20 ausgebildet sind, umschließt, ausschnittsweise dargestellt.

In Fig. 4A ist eine rasterförmige Anordnung der ersten und zweiten Funktionselemente 10 und 20 dargestellt, in der sich in jeder Zeile und in jeder Spalte erste und zweite Funktionselemente 10 bzw. 20 abwechseln.

In Fig. 4B ist dagegen eine zellenförmige Anordnung dargestellt, bei der in jeder Zeile nur erste Funktionselemente 10 oder nur zweite Funktionselemente 20 angeordnet sind, wobei in angrenzenden Zeilen verschiedene Funktionselemente ausgebildet sind.

In Fig. 4C ist eine konzentrische Anordnung der Funktionselemente dargestellt, wobei in einem ersten Kreis um ein zentrales erstes Funktionselement 10a zweite Funktionselemente 20 und in einem zweiten Kreis wieder erste Funktionselemente 10 befinden. Beide Kreise haben den selben Mittelpunkt, wobei der zweite Kreis einen größeren Radius aufweist als der erste Kreis.

In den Figuren 4A und 4B sind Funktionselemente 10 bzw. 20 mit einer quadratischen Kontur dargestellt, während die Funktionselemente 10 bzw. 20 in Fig. 4C eine kreisförmige Kontur aufweisen. Dies sind jedoch nur Beispiele. Weitere mögliche Konturen sind: oval, elliptisch, langlochförmig, dreieckig, andere 4-Eck-Formen, polygonale Formen, wobei die Formen jeweils regelmäßig oder unregelmäßig sein können. Darüber hinaus können verschiedene erste und/oder zweite Funktionselemente auch verschiedene Konturen aufweisen. In ähnlicher Weise können sich die Größen der Funktionselemente voneinander unterscheiden. Typischerweise hat ein Funktionselement eine Fläche im Bereich von 5 pm ² bis 100 mm ² .

In den Abbildungen 1 bis 3 sind Ausführungsformen des erfindungsgemäßen multispektralen Bauelements dargestellt, bei denen alle Funktionselemente als detektierende Elemente ausgebildet sind. In den Figuren 5A bis 5D sind nunmehr alle prinzipiell möglichen Varianten der Ausführung der ersten und zweiten Funktionselemente schematisch dargestellt. Dabei verdeutlichen die Pfeile die Richtung des Lichtes, d.h. ob es in ein Funktionselement einfällt oder von diesem ausgesandt wird. Selbstverständlich sind weitere Ausführungsformen durch bspw. die Kombination von detektierenden ersten Funktionselementen und emittierenden ersten Funktionselementen mit detektierenden zweiten Funktionselementen oder verschiedene Ausgestaltungen der dritten Funktionselemente möglich.

Fig. 5A stellt schematisch die Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 dar, in denen sowohl die ersten Funktionselemente 10a bis 10c als auch die zweiten Funktionselemente 20a und 20b detektierende Elemente sind.

In dem in Fig. 5B dargestellten Fall sind die ersten Funktionselemente 10a bis 10c Licht emittierende Elemente, während die zweiten Funktionselemente 20a und 20b Licht detektierende Elemente sind.

Die Ausgestaltung der ersten Funktionselemente 10a bis 10c als Licht detektierende Elemente und der zweiten Funktionselemente 20a und 20b als Licht emittierende Elemente ist in Fig. 5C dargestellt. Fig. 5D zeigt schließlich eine Ausführungsform, in der sowohl die ersten Funktionselemente 10a bis 10c als auch die zweiten Funktionselemente 20a und 20b als Licht emittierende Elemente ausgebildet sind.

Bezugszeichen

1 Erste Ausführungsform des multispektralen Bauelements

2 Zweite Ausführungsform des multispektralen Bauelements

3 Dritte Ausführungsform des multispektralen Bauelements

10, 10a- 10d Erstes Funktionselement

11 Erste Funktionsschicht

12 Erste DBR-Schicht

20, 20a-20c Zweites Funktionselement

21 Zweite Funktionsschicht

22, 23 Elektrode

24, 24‘ Erste Filterschicht

25, 25‘ Zweite Filterschicht

30 Lichtquelle

40 Blendenschicht

50 Kontakt

60 Gehäuse

70a-70d Drittes Funktionselement

71 Dritte Funktionsschicht

72 Zweite DBR-Schicht

80 Elektrode

100 100 Substrat

101 erste Oberfläche des Substrates

102 Zweite Oberfläche des Substrates

103 Integriertes aktives Bauelement

104 Halbleiter-Substrat

105 Glassubstrat

110 Erster lateraler Bereich

120 Zweiter lateraler Bereich

130 Dritter lateraler Bereich