KNIPP, Dietmar (Auricher Strasse. 2A, Bremen, 28219, DE)
Ansprüche
1. Optischer Spektralsensor zur Bestimmung der spektralen Information von einfallendem Licht insbesondere im sichtbaren und infraroten Spektralbereich mit mindestens einer optoelektronischen Halbleiteranordnung und mindestens einem Metallfilm, welcher von einem Dielektrikum umgeben ist, wobei der Metallfilm eine periodische Struktur aufweist, wobei die mindestens eine optoelektronische Halbleiteranordnung und der mindestens eine strukturierte Metallfilm so angeordnet sind, dass zu detektierendes Licht zunächst den strukturierten Metallfilm durchsetzt und dann auf die optoelektronische Halbleiteranordnung trifft, wobei der optische Spektralsensor so ausgebildet ist, dass die spektrale Empfindlichkeit, im Wesentlichen von den optischen Eigenschaften des strukturierten Metallfilms bestimmt wird.
2. Optischer Spektralsensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere strukturierte Metallfilme nacheinander so angeordnet sind, dass aufeinander folgende strukturierte Metallfilme durch das Dielektrikum im Wesentlichen gleichmäßig beabstandet sind, und dass zu detektierendes Licht die nacheinander angeordneten Metallfilme zuerst durchsetzt bzw. an diesen reflektiert wird und dann auf die optoelektronische Halbleiteranordnung trifft.
3. Optischer Spektralsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optoelektronischen Halbleiteranordnung Elektroden zugeordnet sind, wobei zumindest eine der Elektroden ein Bestandteil mindestens eines strukturierten Metallfilms ist.
4. Optischer Spektralsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine optoelektronische Halbleiteranordnung eine Diodenanordnung oder eine CCD-Einrichtung bildet.
5. Optischer Spektralsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierte Metallfilm, Löcher und/oder Schlitze und/oder Vertiefungen und/oder Nanopunkte aufweist.
6. Optischer Spektralsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher und/oder Schlitze und/oder Vertiefungen und/oder Nanopunkte mit Hilfe eines lithographischen Verfahren hergestellt sind.
7. Optischer Spektralsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Eigenschaften des strukturierten Metallfilms so ausgebildet sind, dass optische Beugung des durch den strukturierten Metallfilm durchtretenden Lichts eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs die optische Eigenschaften des strukturierten Metallfilms im Wesentlichen nicht beeinflusst.
8. Optischer Spektralsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierte Metallfilm so ausgestaltet ist, dass der optische Spektralsensor eine vorgegebene spektrale Empfindlichkeit aufweist.
9. Optischer Spektralsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierte Metallfilm so ausgebildet ist, dass der optische Spektralsensor eine vorgegebene Polarisationssensitivität aufweist.
10. Optischer Spektralsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Spektralsensor mit Hilfe eines CCD-, eines CMOS- und/oder eines BiCM OS-Verfahrens hergestellt ist.
11. Verfahren zum Herstellen eines optischen Spektralsensors mit mindestens einer optoelektronischen Halbleiteranordnung und mindestens einem strukturierten Metallfilm, wobei die mindestens eine optoelektronische Halbleiteranordnung und der mindestens ein strukturierter Metallfilm so angeordnet werden, dass zu detektierendes Licht zunächst den strukturierten Metallfilm durchsetzt bzw. an diesem reflektiert wird und dann auf die optoelektronische Halbleiteranordnung trifft, und wenigstens ein strukturierter Metallfilm zusätzlich als Elektrode ausgebildet ist, und wobei der optische Spektralsensor so ausgebildet ist, dass die spektrale Empfindlichkeit im Wesentlichen von den optischen Eigenschaften des strukturierten Metallfilms bestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierte Metallfilm mit Löchern und/oder Schlitzen und/oder Vertiefungen und/oder Nanopunkten versehen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher und/oder Schlitze und/oder Vertiefungen und/oder Nanopunkte mit Hilfe eines lithographischen Verfahrens hergestellt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Spektralsensor mit Hilfe eines CCD-, eines CMOS- und/oder eines BiCMOS- Verfahrens hergestellt wird.
15. Anordnung zum Detektieren der spektralen Information und/oder Polarisation mit einer Mehrzahl von optischen Spektralsensoren insbesondere ein Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zumindest einige optische Spektralsensoren der Mehrzahl von optischen Spektralsensoren unterschiedliche spektralen Empfindlichkeiten und/oder Polarisationssensitivitä- ten aufweisen.
16. Anordnung zum Detektieren der spektralen Information und/oder Polarisationen insbesondere ein Spektrometer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Spektralsensoren der Mehrzahl von optischen Spektralsensoren mit unterschiedlichen Wellenlängensensitivitäten und/oder Polarisationssensitivitäten in einem Herstellungsprozess hergestellt sind.
17. Anordnung zum Detektieren der spektralen Information und/oder Polarisationen insbesondere ein Spektrometer nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Spektralsensoren der Mehrzahl von optischen Spektralsensoren als Farbsensor zusammengefasst sind.
18. Anordnung zum Detektieren der spektralen Information und/oder Polarisationen insbesondere ein Spektrometer nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spektralsensoren in einer ein- oder zwei- oder dreidimensionalen Anordnung ausgebildet sind, um einen Zeilen- oder einen Bildsensor zu bilden.
19. Anordnung zum Detektieren der spektralen Information und/oder Polarisationen insbesondere ein Spektrometer nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spektralsensoren in einer ein- oder zwei- oder dreidimensionalen Anordnung ausgebildet sind, wobei der vollständige spektrale Verlauf des einfallenden Lichts mittels Detektieren der spektralen Information ermittelt wird.
0. Verwendung eines optischen Spektralsensors nach einem der Ansprüche bis 10 zum Spektroskopieren bzw. in einem Spektrometer. |
Bremen , 30. Juli 2007
Unser Zeichen: IPR-20042
Durchwahl: 0421/200 4507
Anmelder/Inhaber Jacobs University Bremen gGmbH Amtsaktenzeichen: PCT-Nachanmeldung
Jacobs University Bremen gGmbH Campus Ring 1 , 28759 Bremen
Optischer Spektralsensor und ein Verfahren zum Herstellen eines optischen
Spektralsensors
Die Erfindung betrifft einen optischen Spektralsensor, ein Spektrometer, welches den optischen Spektralsensor umfasst, die Verwendung des optischen Spektralsensors zur Spektroskopie und ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Spektralsensors. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Spektralsensor zum Detektieren der spektralen Information und/oder Polarisationen mit mehreren der optischen Spektralsensoren und ein Verfahren zum Herstellen des Spektralsensors zum Detektieren spektraler Information und/oder Polarisationen mit mehreren der optischen Spektralsensoren.
Bekannte optische Sensoren weisen ein Sensorelement und einen optischen Absorptionsfilter auf, wobei einfallendes Licht vom Absorptionsfilter gefiltert wird und das gefilterte Licht von dem Sensorelement detektiert wird. Hierdurch wird eine farbaufgelöste Lichtdetektion ermöglicht. Durch Variation der Absorptionseigenschaften des Absorptionsfilters lässt sich die spektrale Empfindlichkeit des Sensorelements beeinflussen.
Nachteilig ist bei diesen bekannten optischen Sensoren, dass jeder Filter einer solchen Anordnung separat hergestellt werden muss. Weiterhin lassen sich
Absorptionsfilter nur mit bestimmten optischen Eigenschaften herstellen. Schmalbandige optische Filter lassen sich zum Beispiel nicht herstellen.
Weiterhin sind optische Sensoren bekannt, welche aus einem Sensorelement und einem Beugungsgitter bestehen. Liegt die Spaltbreite eines Beugungsgitters unterhalb von λ/2/n, wobei λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts und n der Brechungsindex im Spaltbereich ist, so verhält sich ein Beugungsgitter wie ein Kantenfilter. In diesem Fall wird Licht mit einer Wellenlänge kleiner als 2-d-n, wobei d die Spaltbreite des Beugungsgitters ist, vom Beugungsgitter durchgelassen, wohingegen Licht mit einer Wellenlänge größer als 2-d-n nicht vom Beugungsgitter durchgelassen wird. Mithin verhält sich das Beugungsgitter wie ein optischer Kantenfilter. Die Detektion eines vorgegebenen Wellenlängenbereiches ist nur möglich, wenn mehrere Beugungsgitter kombiniert werden. Entsprechend erfordert die Herstellung von Farbsensoren, Multispektralsensoren oder Spektro- metern die Kombination mehrerer optischer Spektralsensoren mit unterschiedlichen Beugungsgittern.
Weiterhin sind Bildsensoren bekannt. In der US- Anmeldung US2003/0103150 (Catrysse et al.) sind Lösungen für die Ermittlung einer Farbe mittels Bildsensoren beschrieben. Dabei werden strukturierte Metallfilme zur optischen Filterung des einfallenden Lichts verwendet. Dieses wird mittels eines Detektors in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal dient anschließend der Nachbildung der Farbe zu Darstellungszwecken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Spektralsensor, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Spektralsensors, die Verwendung eines optischen Spektralsensors und ein Spektrometer zum Detektieren unterschiedlicher spektraler Information und/oder Polarisationen bereitzustellen.
Weiterhin soll zu detektierendes Licht auf seine spektralen Bestandteile mittels eines optischen Spektralsensors analysierbar sein.
Diese Aufgabe wird gelöst, mittels eines optischer Spektralsensors zur Bestimmung der spektralen Information mit mindestens einer optoelektronischen Halbleiteranordnung und mindestens einem Metallfilm, welcher von einem Dielektrikum umgeben ist, wobei der Metallfilm eine periodische Struktur aufweist, wobei die mindestens eine optoelektronische Halbleiteranordnung und der mindestens eine strukturierte Metallfilm so angeordnet sind, dass zu detektie-
rendes Licht zunächst den strukturierten Metallfilm durchsetzt und dann auf die optoelektronische Halbleiteranordnung trifft, wobei der optische Spektralsensor so ausgebildet ist, dass die spektrale Empfindlichkeit im wesentlichen von den optischen Eigenschaften des strukturierten Metallfilms bestimmt wird.
Die optoelektronische Halbleiteranordnung kann entweder allein von den optischen Eigenschaften des strukturierten Metallfilms bestimmt werden, oder es können neben den optischen Eigenschaften des strukturierten Metallfilms weitere Eigenschaften des optischen Spektralsensors zur spektralen Empfindlichkeit der Halbleiteranordnung beitragen. Des Weiteren können die optischen Eigenschaften des strukturierten Metallfilms, welcher zusammen mit dem umgebenden Dielektrikum auch als photonischer Kristall bezeichenbar ist, allein durch die Ausbildung von Oberflächenplasmonen bestimmt werden, oder andere Merkmale des optischen Spektralsensors können neben der Ausbildung von Oberflächenplasmonen zu den optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls beitragen. Die spektrale Empfindlichkeit ist beispielsweise ein an der Halbleiteranordnung abgegriffenes elektrisches Signal, das als Detektorsignal des einfallenden Lichtes verwendet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der optische Spektralsensor mehrere nacheinander angeordnete strukturierte Metallfilme auf. Aufeinander folgende strukturierte Metallfilme sind durch das Dielektrikum im Wesentlichen gleichmäßig beabstandet, wobei jedem strukturierten Metallfilm eine Filtercharakteristik zugewiesen werden kann. Das zu detektierende Licht durchsetzt die nacheinander angeordneten Metallfilme zuerst bzw. wird an diesen reflektiert und trifft dann auf die optoelektronische Halbleiteranordnung.
Es ist bevorzugt, dass der optoelektronischen Halbleiteranordnung Elektroden zugeordnet sind, wobei zumindest eine der Elektroden ein Bestandteil des strukturierten Metallfilms ist. Die zumindest eine der Elektroden weist damit eine Doppelfunktion auf. Zum einen ist sie der optoelektronischen Halbleiteranordnung zugeordnet, und zum anderen bildet sie einen Bestandteil des strukturierten Metalls bzw. des photonischen Kristalls. Dies ermöglicht einen kompakteren und einfacheren Aufbau des optischen Spektralsensors. Dies hat des Weiteren den Vorteil, dass, wenn mehrere derartige optische Spektralsensoren nebeneinander angeordnet sind, die Wahrscheinlichkeit eines so genannten Pixelübersprechens vermindert wird, da der Abstand zwischen der optoelektronischen
Halbleiteranordnung und dem photonischen Kristalls durch diese Anordnung auf ein Minimum reduziert wird.
Es ist weiter bevorzugt, dass die zumindest eine der Elektroden zusammen mit Halbleiterschichten, die die zumindest eine der Elektroden umgeben, einen metallischen photonischen Kristall bildet. Durch eine derartige Anordnung kann der optische Spektralsensor noch kompakter und kleiner hergestellt werden. Insbesondere kann eine derartige Anordnung, bei der Halbleiter- und Metallschichten sowohl einen Teil des metallischen photonischen Kristalls (strukturierte Metallfilme) als auch die optoelektronische Halbleiteranordnung bilden, in einem Herstellungsprozess hergestellt werden.
Es ist bevorzugt, dass die mindestens eine optoelektronische Halbleiteranordnung eine Diodenanordnung oder eine CCD-Einrichtung bildet. Eine derartige optoelektronische Halbleiteranordnung lässt sich leicht mit bekannten Halbleitertechnologien, die beispielsweise zur Herstellung von CCDs (Charge Coupled Devices) oder CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Sensoren verwendet werden, herstellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, weist der mindestens eine der strukturierten Metallfilme Löcher und/oder Schlitze und/oder Vertiefungen und/oder Nanopunkte auf. Die Vertiefungen sind insbesondere Gräben. Durch die Ausbildung der Löcher und/oder Schlitze und/oder Vertiefungen und/oder Nanopunkte lassen sich gezielt die optischen Eigenschaften des insbesondere metallischen photonischen Kristalls einstellen und an bestimmte Anforderungen anpassen.
Es ist bevorzugt, dass die Löcher und/oder Schlitze und/oder Vertiefungen und/oder Nanopunkte mit Hilfe eines lithographischen Verfahrens hergestellt sind. Mit einem lithographischen Verfahren lassen sich die Löcher und/oder Schlitze und/oder Vertiefungen und/oder Nanopunkte sehr genau, auf eine einfache Art und Weise und kostengünstig herstellen.
Es ist weiter bevorzugt, dass die optischen Eigenschaften des mindestens einen photonischen Kristalls so ausgebildet sind, dass optische Beugung des durch den mindestens einen photonischen Kristall durchtretenden Lichts eines vorgegebenen Spektralbereichs die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls im Wesentlichen nicht beeinflusst. Entsprechend verhält sich ein
insbesondere metallischer photonischer Kristall ähnlich wie ein optischer Bandpassfilter, wohingegen sich eine beugungsbegrenzte Struktur wie ein optischer Kantenfilter verhält.
Es ist weiter bevorzugt, dass der mindestens eine photonische Kristall so dimensioniert ist, dass der optische Spektralsensor eine vorgegebene spektrale Empfindlichkeit aufweist. Mit einem derart dimensionierten photonischen Kristall werden von der optoelektronischen Halbleiteranordnung nur bestimmte spektrale Anteile detektiert, so dass der optische Spektralsensor nur Licht vorgegebener Wellenlängen detektiert. Dies ermöglicht den Einsatz des optischen Spektralsensors beispielsweise als optisches Spektrometer oder als Farbsensor.
Es ist weiter bevorzugt, dass der mindestens eine photonische Kristall so dimensioniert ist, dass der optische Spektralsensor eine vorgegebene Polarisationsempfindlichkeit aufweist. Durch eine derartige Ausbildung des photonischen Kristalls ist es möglich, einen optischen Spektralsensor bereitzustellen, der nur Licht detektiert, das eine vorgegebene Polarisation aufweist. Der optische Spektralsensor kann daher als Polarisationssensor fungieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der optische Spektralsensor mit Hilfe eines CCD-, eines CMOS (Complementary Metal Oxide Semi- conductor)- und/oder eines BiCMOS (Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)- Verfahrens hergestellt.
Diese Verfahren sind bekannt, ausgereift und leicht durchführbar, so dass sich der optische Spektralsensor leicht herstellen lässt.
Es ist weiter bevorzugt, dass mehrere strukturierte Metallfilme benachbart zueinander, insbesondere übereinander, so angeordnet sind, dass zu detektie- rendes Licht zunächst die benachbart zueinander, insbesondere übereinander, angeordneten photonischen Kristalle durchsetzt und dann auf die optoelektronische Halbleiteranordnung trifft. Da jeder strukturierte Metallfilm Licht eines vorgegebenen Spektralbereichs und/oder eines vorgegebenen Polarisationsbereichs transmittiert bzw. reflektiert, können durch die Kombination mehrerer derartiger photonischer Kristalle optische Spektralsensoren hergestellt werden, die eine beliebige vorbestimmte spektralen Empfindlichkeit und/oder Polarisationsempfindlichkeit aufweisen.
Es ist weiter bevorzugt, dass der optische Spektralsensor dielektrische Anpassungsschichten zur Anpassung des optischen Spektralsensors an zu detektie- rendes Licht aufweist. Durch die Anpassungsschichten wird insbesondere zu detektierendes Licht besser in den photonischen Kristall eingekoppelt. Des Weiteren können die dielektrischen Anpassungsschichten so ausgebildet sein, dass einfallendes Licht, das nicht von dem optischen Spektralsensor detektiert werden soll, nicht in den photonischen Kristall eintritt. Durch derartige dielektrische Anpassungsschichten kann die spektrale Empfindlichkeit und/oder Polarisationsempfindlichkeit des optischen Spektralsensors weiter verbessert werden. Somit kann eine vorgegebene spektrale Empfindlichkeit erreicht werden.
Die oben genannte Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Spektralsensors mit mindestens einer optoelektronischen Halbleiteranordnung und mindestens einem strukturierten Metallfilm gelöst, wobei die mindestens eine optoelektronische Halbleiteranordnung und der mindestens eine strukturierter Metallfilm so angeordnet werden, dass zu detektierendes Licht zunächst den strukturierten Metallfilm durchsetzt bzw. an diesem reflektiert wird und dann auf die optoelektronische Halbleiteranordnung trifft, und wenigstens ein strukturierter Metallfilm zusätzlich als Elektrode ausgebildet ist, und wobei der optische Spektralsensor so ausgebildet ist, dass die spektrale Empfindlichkeit im Wesentlichen von den optischen Eigenschaften des strukturierten Metallfilms bestimmt wird.
Bevorzugt wird mindestens ein photonischer Kristall mit Löchern und/oder Schlitzen und/oder Vertiefungen und/oder Nanopunkte versehen, um die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls und um damit des optischen Spektralsensors einzustellen.
Die Löcher und/oder Schlitze und/oder Vertiefungen und/oder Nanopunkte werden bevorzugt mit Hilfe eines lithografischen Verfahrens hergestellt. Des Weiteren wird der optische Spektralsensor bevorzugt mit Hilfe eines CCD-, eines CMOS- und/oder eines BiCMOS-Verfahrens hergestellt. Diese Verfahren sind ausgereift, zuverlässig, leicht und kostengünstig durchführbar.
Die Erfindung wird des Weiteren durch einen Spektralsensor zum Detektieren spektraler Information und/oder Polarisationen mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen optischen Spektralsensoren gelöst, wobei zumindest einige optische Spektralsensoren der Mehrzahl von optischen Spektralsensoren
unterschiedliche spektraler Empfindlichkeit und/oder Polarisationsempfindlichkeit aufweisen. Durch die Verwendung der Mehrzahl von optischen Spektralsensoren lässt sich ein Spektralsensor herstellen, der zuverlässig unterschiedliche Spektralbereiche und/oder Polarisationen des einfallenden Lichtes detektiert und der auf Grund der Bandpassfiltereigenschaften des insbesondere metallischen photonischen Kristalls einfacher als bekannte Spektralsensoren zum Detektieren unterschiedlicher Spektralberieche eingesetzt werden kann.
Es ist bevorzugt, dass die optischen Spektralsensoren der Mehrzahl von optischen Spektralsensoren mit unterschiedlichen spektrale Empfindlichkeit und/oder Polarisationsempfindlichkeit in einem Herstellungsprozess hergestellt sind. Die Herstellung der optischen Spektralsensoren in einem Halbleiterherstel- lungsprozess vereinfacht die Herstellung der Spektralsensoren zum Detektieren unterschiedlicher Spektralbereiche und/oder Polarisationszustände.
Die Mehrzahl von optischen Spektralsensoren bildet bevorzugt eine Anordnung, die als optisches Spektrometer verwendbar ist. Des Weiteren sind die optischen Spektralsensoren der Mehrzahl von optischen Spektralsensoren bevorzugt als Farbsensor zusammengefasst, wobei bevorzugt mehrere Farbsensoren zu einer ein- oder zweidimensionalen Anordnung zusammengefasst sind, um einen Zeilen- oder einen Bildsensor zu bilden. Auf Grund der Verwendung von erfindungsgemäßen optischen Spektralsensoren lassen sich derartige als optisches Spektrometer oder Bildsensor verwendbare Anordnungen und derartige Farbsensoren einfach und kostengünstig realisieren. Des Weiteren ist die spektrale Empfindlichkeit auf Grund der Bandpassfiltereigenschaften der photonischen Kristalle im Vergleich zu bekannten Anordnungen und Farbsensoren verbessert. Darüber hinaus lässt sich die Polarisationsempfindlichkeit des Spektralsensors gezielt einstellen.
Die oben genannte Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Herstellen eines Spektralsensors zum Detektieren unterschiedlicher Spektralbereiche gelöst, bei dem eine Mehrzahl erfindungsgemäßer optischer Spektralsensoren zusammengefasst wird, wobei zumindest einige optische Spektralsensoren der Mehrzahl von optischen Spektralsensoren unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten und/oder Polarisationsempfindlichkeiten aufweisen. Es ist bevorzugt, dass die optischen Spektralsensoren der Mehrzahl von optischen Spektralsensoren mit unterschiedlichen spektraken Empfindlichkeiten und/oder Polarisationsempfindlichkeiten in einem Halbleiterherstellungsprozess hergestellt werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beschrieben, in der
Fig. 1 die normierte optische Transmission eines Beugungsgitter als Funktion der Wellenlänge in Nanometem dargestellt ist, wobei die Spaltbreite a des Beugungsgitters in 10 nm Schritten von 150 nm nach 300 nm variiert wurde. Die Transmission ist jeweils auf die Fläche einer Periode des Beugungsgitters normiert. Die Periode beträgt in diesem Fall 550nm.
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines optischen Spektralsensors zeigt,
Fig. 3a eine schematische Draufsicht auf einen strukturierten Metallfilm mit Löchern zeigt,
Fig. 3b eine schematische Schnittansicht des Metallfilms entlang der Linie A- A in Fig. 3a zeigt,
Fig. 3c eine schematische Draufsicht auf einen strukturierten Metallfilm mit Nanopunkten zeigt,
Fig. 3d eine schematische Schnittansicht des Metallfilms entlang der Linie A- A in Fig. 3c zeigt,
Fig. 4a die normierte optische Transmission eines periodischen Locharrays als Funktion der Wellenlänge in Nanometer zeigt, wobei der Abstand (Lochmitte zu Lochmitte) der Löcher von 575 nm nach 675 nm variiert wurde und wobei die optische Transmission jeweils auf die Fläche des Locharrays normiert wurde,
Fig. 4b die normierte optische Extinktion eines periodischen Nanopunktar- rays als Funktion der Wellenlänge in Nanometer zeigt, wobei der Abstand (Nanopunkt zu Nanopunkt) der Nanopunkte von 575 nm nach 675 nm variiert wurde und wobei die optische Extinktion jeweils auf die Fläche des Nanopunktarrays normiert wurde,
Fig. 5a eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Design eines Locharrays und den optischen Eigenschaften eines Locharrays zeigt,
Fig. 5b eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Design eines Nanopunktarrays und den optischen Eigenschaften eines Nanopunk- tarrays zeigt,
Fig. 6 die Transmission strukturierter Metallfilme zeigt, wobei die strukturierten Metallfilme für eine Anwendung als optische Filter für die Farben rot, grün und blau optimiert sind.
Fig. 7a eine schematische Seitenansicht eines mit Löchern strukturierten Metallfilms zeigt,
Fig. 7b eine schematische Draufsicht auf den mit Löchern strukturierten Metallfilm zeigt,
Fig. 7c eine schematische Seitenansicht eines mit Nanopunkten strukturierten Metallfilms zeigt,
Fig. 7d eine schematische Draufsicht auf den mit Nanopunkten strukturierten Metallfilm zeigt,
Fig. 8a eine schematische Seitenansicht mehrerer übereinander angeordneter strukturierter Metallfilme zeigt,
Fig. 8b eine schematische Draufsicht auf einen mit Löchern strukturierten Metallfilm zeigt,
Fig. 8c eine schematische Seitenansicht mehrerer übereinander angeordneter strukturierter Metallfilme zeigt,
Fig. 8d eine schematische Draufsicht auf einen mit Nanopunkten strukturierten Metallfilm zeigt,
Fig. 9a eine schematische seitliche Schnittansicht eines strukturierten Metallfilms und einer optoelektronischen Halbleiteranordnung eines optischen Spektralsensors entlang der Linie C-C in Fig. 9b zeigt,
Fig. 9b eine schematische Schnittansicht des optischen Spektralsensors entlang der Linie B-B in Fig. 9a zeigt,
Fig. 9c eine schematische seitliche Schnittansicht eines strukturierten Metallfilms und einer optoelektronischen Halbleiteranordnung eines optischen Spektralsensors entlang der Linie C-C in Fig. 9d zeigt,
Fig. 9b eine schematische Schnittansicht des optischen Spektralsensors mit Nanopunkten entlang der Linie B-B in Fig. 9c zeigt,
Fig. 10a eine schematische seitliche Schnittansicht eines weiteren optischen Spektralsensors mit einem strukturierten Metallfilm und einer optoelektronischen Halbleiteranordnung entlang der Linie E-E in Fig. 10b zeigt,
Fig. 10b eine schematische Schnittansicht des optischen Spektralsensors entlang der Linie D-D in Fig. 10a zeigt,
Fig. 10c eine schematische seitliche Schnittansicht eines weiteren optischen Spektralsensors mit einem strukturierten Metallfilm und einer optoelektronischen Halbleiteranordnung entlang der Linie E-E in Fig. 10d zeigt,
Fig. 10d eine schematische Schnittansicht des optischen Spektralsensors mit Nanopunkten entlang der Linie D-D in Fig. 10c zeigt,
Fig. 11 eine schematische Ansicht eines Schichtaufbaus eines bekannten optischen Spektralsensors, der eine optoelektronische Halbleiterandordnung verwendet, zeigt,
Fig. 12 eine schematische Ansicht eines Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen optischen Spektralsensors zeigt,
Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Spektralsensors zum Detektie- ren unterschiedlicher Wellenlängen und/oder Polarisationen zeigt,
Fig. 14 eine schematische Ansicht eines Zeilensensors zeigt und
Fig. 15 eine schematische Ansicht eines Bildsensors zeigt.
Fig. 16 eine Realisierung eines Farbsensors zeigt.
Fig. 17 einer Realisierung eines Zeilen- oder Bildsensors zeigt.
Fig. 1 zeigt die normierte optische Transmission eines Beugungsgitters als Funktion der Wellenlänge in Nanometem, wobei die Spaltbreite a des Beugungsgitters in 10nm Schritten von 150nm nach 300nm variiert wurde. Die Transmission ist jeweils auf die Fläche einer Periode des Beugungsgitters normiert. In diesem Fall beträgt die Periode 550nm Die optischen Eigenschaften des Beugungsgitters werden durch die optische Beugung am Spalt bestimmt. Für Wellenlängen kleiner als 2-a-n, wobei n der Brechungsindex im Spaltbereich ist, wird das Licht durch das optische Beugungsgitter durchgelassen. Licht einer Wellenlänge größer als 2-a-n wird nicht durch das Beugungsgitter durch gelassen. Das Beugungsgitter verhält sich wie ein optischer Kantenfilter.
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines optischen Spektralsensors 1 mit übereinander angeordneten strukturierten Metallfilmen 2 (auch als photonischer Kristall bezeichnet bestehend aus einer metallischen periodischen Struktur 2a und einem dielektrischen Medium 2b; der Begriff photonischer Kristall wird im Weiteren als mehrere Lagen strukturierter Metallfilm, welche durch ein Dielektrikum beabstandet sind synonym verwendet) und einer optoelektronischen Halbleiteranordnung 3. Die optoelektronische Halbleiteranordnung 3 ist mit einem Verstärker 4, z.B. einem Strom- oder Spannungsverstärker, verbunden. Der photonische Kristall 2a, 2b und die optoelektronische Halbleiteranordnung 3 sind Teil einer integrierten Halbleiterschaltung 5. Licht trifft auf den photonischen Kristall, bevor es auf die optoelektronische Halbleiteranordnung trifft. Die optoelektronische Halbleiteranordnung 3 detektiert das durch den photonischen Kristall 2a, 2b transmittierte Licht. Die optoelektronische Halbleiteranordnung wandelt das detektierte Licht in elektrische Signale um und gibt diese an einen Verstärker 4 weiter. Der Verstärker gibt die elektrischen Signale an eine Verarbeitungseinheit 7 weiter. Der Verstärker 4 und die Verarbeitungseinheit 7 sind Teil der integrierten Halbleiterschaltung. Die Verarbeitungseinheit gibt die Signale an eine externe Einheit 8 weiter, bei welcher es sich um eine externe Auswerte- oder Verarbeitungseinheit, zum Beispiel einen Computer, handelt.
Der photonische Kristall weist eine periodische Struktur 2a und ein dielektrisches Medium 2b auf. Die periodische Struktur wird in dieser Ausführungsform durch einen Metallfilm 2a gebildet, der schematisch in einer Draufsicht in Fig. 3a gezeigt ist. In der in Fig. 3a gezeigten Orientierung würde das Licht 6 im Wesentlichen senkrecht zur Blattebene auf den Metallfilm 2a treffen. Der Metallfilm weist eine periodische Anordnung von Löchern (Locharray) 10 auf, die bevorzugt kreisförmig ausgebildet sind.
Fig. 3b zeigt schematisch eine Schnittansicht durch den Metallfilm 2a entlang der in Fig. 3a dargestellten Linie A-A.
Der in den Figuren 3a und 3b dargestellte Metallfilm 2a ist von einem dielektrischen Medium 2b umgeben. Bei dem dielektrischen Medium kann es sich z.B. um Luft, Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid handeln. Der in den Figuren 3a und 3b dargestellte Metallfilm 2a bildet daher zusammen mit dem dielektrischen Medium 2b einen metallischen photonischen Kristall.
Die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls lassen sich gezielt durch die Form der Löcher, den Durchmesser der Löcher, die Dicke des Metallfilms und die Anordnung der Löcher einstellen. Weiterhin werden die optischen Eigenschaften des metallischen photonischen Kristalls durch den komplexen Brechungsindex des dielektrischen Mediums 2b bestimmt, das den Metallfilm umgibt. Das dielektrische Material kann beispielsweise, wie oben bereits erwähnt, Luft, Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid sein. Des Weiteren werden die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls durch den komplexen Brechungsindex des Metalls beeinflusst, wobei als Metall bevorzugt Aluminium, Kupfer oder Gold verwendet wird.
Dadurch, dass das Licht 6 auf den photonischen Kristall 2a, 2b trifft, bilden sich nahe der Oberfläche des Metallfilms 2a Oberflächenplasmonen, die die Transmission des einfallenden Lichtes 6 durch den photonischen Kristall 2a, 2b beeinflussen.
In Fig. 3c und 3d wurden statt Löcher Nonopunkte verwendet. Zu 3c gelten die Ausführungen zu 3a und zu 3d die Ausführungen zu 3b analog.
Die Beeinflussung der Transmission des einfallenden Lichtes durch die Eigenschaften des photonischen Kristalls 2 wird jetzt beispielhaft unter Bezugnahme
auf Fig. 4 beschrieben. In Fig. 4 ist die Transmission des einfallenden Lichtes normiert auf die Fläche des Locharrays über der Wellenlänge λ in Nanometern aufgetragen. Die unterschiedlichen Kurven bezeichnen unterschiedliche photonische Kristalle, die jeweils einen Goldfilm aufweisen. Umgeben sind die Goldfilme von Luft (dielektrisches Medium). Die photonischen Kristalle unterscheiden sich in dem Abstand a der Löcher zueinander. Der Abstand a der Löcher zueinander ist als der Abstand zwischen den Mitten benachbarter Löcher, wie in Fig. 3b dargestellt, definiert. Hierbei wurde der Abstand der Löcher von 575 nm auf 675 nm erhöht.
In Fig. 4a ist zu erkennen, dass sich das Maximum der Transmission mit zunehmendem Abstand a zu höheren Wellenlängen hin verschiebt. Die Wellenlänge A max des Maximums der Transmission des photonischen Kristalls lässt sich in erster Nährung durch folgende Beziehung beschreiben:
wobei / und j die Moden des Lichts darstellen. Des Weiteren bezeichnet ε, die Dielektrizitätskonstante des Metalls und ε 2 die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials.
Oberflächenplasmonen bilden sich nur in Materialien mit negativer Permittivität aus. Eine negative Permittivität tritt nur für metallische und metalloxidische Filme auf. Bevorzugt eingesetzte Metalle mit einer negativen Permittivität sind Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium.
Anstelle von Löchern kann der photonische Kristall auch andere periodische Strukturen aufweisen, beispielsweise Schlitze oder Vertiefungen, insbesondere Gräben oder auch Nanopunkte, welche auch länglich ausgebildet sein können.
Der Metallfilm weist bevorzugt eine Dicke c von 200 nm auf. Der Durchmesser b der Löcher beträgt bevorzugt 250 nm. Durch Variation der Lochdurchmesser lässt sich der Spektralbereich verschieben, in dem sich Oberflächenplasmonen ausbilden. So verschieben sich z.B. die Maxima der Transmission mit abnehmendem Lochdurchmesser zu kürzeren Wellenlängen. Mit zunehmendem
Lochdurchmesser ergibt sich ein umgekehrtes Bild. Die Maxima der Transmission verschieben sich mit zunehmendem Durchmesser zu längeren Wellenlängen hin.
Das zu Fig. 4a ausgeführte gilt analog für 4b, wo die Extiktion über die Wellenlänge dargestellt ist. Dies gilt für den Fall, dass der photonische Kristall mittels Nanopunkte strukturiert wurde.
Fig. 5a zeigt den schematischen Zusammenhang zwischen dem Design eines Locharrays und den Transmissionseigenschaften als Funktion der Wellenlänge in Nanometern. Zwecks Herstellung eines metallischen photonischen Kristalls, welches ein Maximum der optischen Transmission im blauen Spektralbereich (um 450 nm) aufweist sind Löcher mit geringem Durchmesser und kleinem Abstand zueinander in den Film einzubringen. Unterstellt man, dass es sich bei dem Metallfilm um einen Aluminiumfilm handelt, der von einem Siliziumoxid umgeben wird, so ergibt sich für einen Lochdurchmesser von 130 nm und einen Lochabstand von 250 nm ein Maximum der Transmission im blauen Spektralbereich. Vergrößert man den Lochdurchmesser und erhöht den Abstand der Löcher verschiebt sich das Maximum der Transmission zu höheren Wellenlängen. So ergibt sich für einen Lochdurchmesser von 155 nm und einem Lochabstand von 400 nm ein Maximum der Transmission im grünen Spektralbereich. In Fig. 5b ist das Gleiche für mit Nanopunkten strukturierten photonischen Kristall dargestellt.
Fig. 6 zeigt die Transmission für unterschiedliche metallische photonische Kristalle, die für den Einsatz als optische Filter optimiert wurden. Aufgetragen ist die Transmission als Funktion der Wellenlänge in Nanometern. Hierbei wurde jeweils ein Locharray in einen Aluminiumfilm der Dicke 200 nm eingebracht. Das Locharray ist eingebettet in einen Film aus Siliziumoxid. Das Maximum der Transmission im blauen Spektralbereich (um 450 nm) ergibt sich für einen Lochdurchmesser von 130 nm und einen Lochabstand von 250nm (durchgezogene Linie). Das Maximum der Transmission im grünen Spektralbereich (um 550 nm) ergibt sich für einen Lochdurchmesser von 155 nm und einen Abstand von 400 nm (lang-gestrichelte Linie). Das Maximum der Transmission im roten Spektralbereich (600 nm - 650 nm) ergibt sich für einen Lochdurchmesser von 180 nm und einen Abstand von 520 nm (kurz-gestrichelte Linie).
Fig. 7a zeigt eine schematische Seitenansicht eines photonischen Kristalls 2 mit einem Metallfilm 2a und einem dielektrischen Medium 2b, das den Metallfilm 2a
umgibt. Das einfallende Licht 6 tritt in das Dielektrikum 2b ein und trifft auf den Metallfilm 2a mit der periodischen Struktur. Trifft Licht auf den Metallfilm, so bilden sich Oberflächenplasmonen nahe der Oberfläche des Metallfilms aus. Die Oberflächenplasmonen breiten sich im Metallfilm aus. Entsprechend können sich die Oberflächenplasmonen durch die Löcher im Metallfilm ausbreiten. Auf der Lichtaustrittsseite des Metallfilms interferieren die Oberflächenplasmonen. Das durch den photonischen Kristall 2 transmittierte Licht 12 trifft auf die optoelektronische Halbleiteranordnung 3, die dass transmittierte Licht 12 detektiert. In Fig. 7b ist eine schematische Draufsicht auf den photonischen Kristall 2 dargestellt. Entsprechendes gilt für den Fall, dass statt Löcher Nanopunkte verwendet werden. Dies ist in Fig. 7c und 7d dargestellt, wobei die Ausführungen zu 7a analog für 7c und die Ausführungen zu 7b analog zu 7d gelten.
Neben dem Einsatz einzelner Metallschichten 2a mit Löchern lassen sich auch komplexere Strukturen zur Beeinflussung der Wellenausbreitung des einfallenden Lichts einsetzen. Ein photonischer Kristall 102 mit einer komplexeren Struktur ist in einer schematischen Seitenansicht in Fig. 8a und 8c (Nanopunkte) dargestellt.
Der photonische Kristall 102 weist mehrere in Einstrahlrichtung hintereinander angeordnete Metallfilme 109 auf. Jeder dieser Metallfilme 109 weist eine periodische Struktur auf, insbesondere eine periodische Lochstruktur. Jeder Metallfilm 109 kann anders dimensioniert sein, so dass jeder Metallfilm 109 das einfallende Licht 6 unterschiedlich beeinflusst. Fig. 8b zeigt eine schematische Draufsicht auf einen dieser Metallfilme 109 des photonischen Kristalls 102. Fig. 8d entsprechend zeigt eine schematische Draufsicht auf einen dieser Metallfilme mit Nanopunkten 109 des photonischen Kristalls 102.
Da jeder Metallfilm 109 von dem Dielektrikum umgeben ist, kann jeder dieser Metallfilme 109 als einzelner photonischer Kristall betrachtet werden. In diesem Sinne zeigt Fig. 8a mehrere photonische Kristalle, die in Richtung des einfallenden Lichtes 6 hintereinander angeordnet sind.
Der photonische Kristall lässt sich insbesondere mittels optischer Lithographie, die auch zur Herstellung mikro- und nanoelektronischer integrierter Halbleiterschaltungen eingesetzt wird, herstellen. Dem entsprechend lassen sich die metallischen photonischen Kristalle auch leicht mit optoelektronischen Komponenten, wie Dioden, kombinieren. Die Diode ist eine optoelektrische Halblei-
teranordnung, mit der das durch den photonischen Kristall transmittierte Licht detektiert werden kann. Bei einem optischen Spektralsensor, der eine Kombination aus einem photonischen Kristall und einer Diodenanordnung als optoelektronische Halbleiteranordnung aufweist, kann die spektrale Empfindlichkeit des optischen Spektralsensors gezielt eingestellt werden. Derartige optische Spektralsensoren lassen sich beispielsweise in hochauflösenden Bildsensoren, Farbsensoren, Multispektralsensoren oder Spektrometem einsetzen. Ein derartiger optischer Spektralsensor, der eine Kombination eines photonischen Kristalls und einer Diodenanordnung als optoelektronische Halbleiteranordnung aufweist, ist in den Figuren 9a, 9b, 9c und 9d dargestellt.
Fig. 9a und entsprechend 9c ist eine schematische seitliche Schnittansicht eines optischen Spektralsensors 201. Der optische Spektralsensor 201 weist mehrere in Richtung des einfallenden Lichts 206 hintereinander angeordnete Metallfilme 209 auf. Die Metallfilme 209 sind von einem dielektrischen Medium 21 1 umgeben, so dass die verschiedenen Metallfilme 209, die jeweils von dem dielektrischen Medium 211 umgeben sind, jeweils zusammen mit dem umgebenden dielektrischen Medium einen photonischen Kristall bilden. In Fig. 9a/9c sind daher mehrere photonische Kristalle 202 in Richtung des einfallenden Lichts 206 hintereinander angeordnet. Der optische Spektralsensor 201 weist des Weiteren eine optoelektronische Halbleiteranordnung 203 auf. Die optoelektronische Halbleiteranordnung 203 weist einen n-dotierten Bereich 214 und einen p- dotierten Bereich 215 auf. Der n-dotierte Bereich 214 wird bevorzugt durch Phosphor oder Arsen-dotiertes Silizium gebildet, und der p-dotierte Bereich 215 wird bevorzugt durch Bohr-dotiertes Silizium gebildet. Der n-dotierte Bereich 214 und der p-dotierte Bereich 215 sind so angeordnet, dass in Richtung des einfallenden Lichts 206 zunächst der n-dotierte Bereich 214 und dahinter der p- dotierte Bereich 215 angeordnet sind. Der übergang zwischen dem n-dotierten Bereich 214 und dem p-dotierten Bereich 215 bildet eine Diodenanordnung aus, die als Fotodiode fungiert. Die optoelektronische Halbleiteranordnung 203 ist mit Elektroden 216, 217 versehen. Der n-dotierte Bereich 214 bildet eine wannenartige Struktur mit einem U-förmigen Querschnitt. Die wannenartige Struktur ist in den p-dotierten Bereich 215 eingelassen. Die Elektrode 216 ist bevorzugt auf dem Rand der wannenartigen Struktur des p-dotierten Bereichs 215 angeordnet. Die Elektrode 217 ist dagegen auf dem n-dotierten Bereich 214 bevorzugt in der Form einer Rechteck- oder Kreisumrandung angeordnet.
Das einfallende Licht 206 durchsetzt die Metallfilme 209, die eine periodische Struktur aufweisen, insbesondere eine periodische Lochstruktur. In den Metallfilmen 209, die von dem dielektrischen Medium 211 umgeben sind, werden auf Grund des einfallenden Lichtes 206 Oberflächenplasmonen angeregt. Das durch die Ausbildung von Oberflächenplasmonen beeinflusste Licht fällt schließlich auf die optoelektronische Halbleiteranordnung 203 und insbesondere auf den übergang zwischen dem n-dotierten Bereich 214 und dem p-dotierten Bereich 215. In dem übergangsbereich werden auf bekannte Art und Weise Ladungsträger erzeugt, die einen Fotostrom bilden, der auf bekannte Art und Weise mittels der Elektroden 216, 217 abgegriffen wird. Die entsprechenden elektrischen Signale werden der Auswerteeinheit 4 zur Auswertung übermittelt.
Fig. 9b ist eine schematische Schnittansicht des optischen Spektralsensors 201 entlang der Linie B-B in Fig. 9a. In dieser Schnittansicht ist die periodische Struktur eines Metallfilms 209 zu erkennen.
Die Löcher in den Metallfilmen 209 sind bevorzugt deutlich kleiner als die Wellenlänge des zu detektierenden Lichts. Da insbesondere sichtbares Licht durch den optischen Spektralsensor 201 detektiert werden soll, ist der Durchmesser der Löcher bevorzugt deutlich kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Der Durchmesser der Löcher im Metallfilm ist bevorzugt kleiner als λ/2/n, wobei λ die Wellenlänge des einfallenden Lichtes 206 und n der Brechungsindex des dielektrischen Mediums 211 ist. Unter der Annahme, dass der sichtbare zu detektierende Spektralbereich einen Wellenlängenbereich von 380 nm bis 680 nm aufweist, ergibt sich bei einem Brechungsindex von n = 1.5 (Brechungsindex von Siliziumoxid) ein Lochdurchmesser der Metallfilme 209, der kleiner ist als 130 nm. Die sich ergebende Transmission durch derartige Metallfilme 209, die von dem dielektrischen Medium umgeben sind, wird ausschließlich durch Oberflächenplasmonen in dem oben genannten sichtbaren Wellenlängenbereich beeinflusst (siehe hierzu Fig. 6). Die Beugung von Licht hat in diesem Spektralbereich keinen Einfluss auf die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls 201. Analog gelten die Ausführungen für Fig.9d, wobei dort die Strukturierung Nanopunkte umfasst.
Fig. 10a/10c zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform eines optischen Spektralsensors 301. Fig. 10b zeigt eine schematische Schnittansicht des optischen Spektralsensors 301
betrachtet in Richtung des einfallenden Lichtes 306. Die Schnittansicht in Fig. 10b stellt einen Schnitt entlang der Linie D-D in Fig. 10a und die Schnittansicht in Fig. 10a stellt eine Schnittansicht entlang der Linie E-E in Fig. 10b dar. Die Ausführungen für Fig. 10b gelten analog für 1Od 1 wobei dort Nanopunkte zur Strukturierung verwendet werden.
Der optische Spektralsensor 301 weist einen mit einer periodischen Lochstruktur (Locharray) versehenden Metallfilm 309 auf, der von einem dielektrischen Medium 311 umgeben ist. Des Weiteren weist der optische Spektralsensor 301 eine optoelektronische Halbleiteranordnung 303 auf, die einen n-dotierten Bereich 314 und einen p-dotierten Bereich 315 umfasst. Der n-dotierte Bereich
314 und der p-dotierte Bereich 315 sind so angeordnet, dass in Richtung des einfallenden Lichtes 306 zunächst der n-dotierte Bereich 314 und dahinter der p- dotierte Bereich 315 angeordnet ist.
Der übergang zwischen dem n-dotierten Bereich 314 und dem p-dotierten Bereich 315 bildet, wie oben bereits beschrieben, eine Diodenanordnung, die als Fotodiode verwendet wird. Die elektrischen Signale der optoelektronischen Anordnung 303, das heißt, der Fotodiode, werden mittels Elektroden 316, 317 abgegriffen. Die Elektrode 316 ist auf dem p-dotierten Bereich 315 der optoelektronischen Halbleiteranordnung 303 angeordnet. Die Elektrode 317 wird durch den Metallfilm 309 gebildet, der unmittelbar auf dem n-dotierten Bereich 314 der optoelektronischen Halbleiteranordnung 303 angeordnet ist.
Der p-dotierte Bereich 315 bildet bevorzugt einen Block, insbesondere einen quaderförmigen Block, mit einer wannenartigen Vertiefung, in der der n-dotierte Bereich 314 angeordnet ist. Die Elektrode 316 ist bevorzugt auf dem dem einfallenden Licht zugewandten Rand des wannenartigen p-dotierten Bereichs
315 angeordnet.
Der Metallfilm 309 erfüllt eine doppelte Funktion. Zum einen dient er dazu, die Ausbreitung des einfallenden Lichtes zu steuern. Zum anderen dient der Metallfilm 309 als Elektrode 317 für die Diodenanordnung. Diese Kombination mehrerer Funktionen vereinfacht den Aufbau des optischen Spektralsensors 301. Darüber hinaus wird der Abstand zwischen der optoelektronischen Halbleiteranordnung 303 und dem photonischen Kristall 302, der durch den Metallfilm 309 und das den Metallfilm 309 umgebende dielektrische Medium 311 gebildet wird, auf ein Minimum reduziert. Dies hat zur Folge, dass das so genannte Pixelüber-
sprechen (Pixel Cross Talk), welches bei herkömmlichen optischen Spektralsensoren auftrifft, verhindert wird.
Erfindungsgemäße photonische Kristalle lassen sich mittels klassischer Siliziumhalbleitertechnologien herstellen. Dies schließt beispielsweise Halbleiterprozesse ein, die zur Herstellung von CCDs oder CMOS-Sensoren verwendet werden.
Fig. 11 zeigt schematisch den Schichtaufbau eines herkömmlichen optischen Spektralsensors in CMOS-Siliziumtechnologie. Der optische Spektralsensor 401 weist als Fotodiode folgende Schichtabfolge auf: p " -Substrat, n ' -Wanne und n + - Wanne. Diese Schichtabfolge bildet eine optoelektronische Halbleiteranordnung 403. Oberhalb der optoelektronischen Halbleiteranordnung befinden sich mehrere dielektrische Schichten. Diese Schichten dienen bei einem herkömmlichen optischen Spektralsensor als „Fensterschicht". Licht tritt durch diese Licht hindurch ohne in diesen dielektrischen Schichten absorbiert zu werden. Dies ist in Fig. 11 dargestellt. Der optische Spektralsensor 401 umfasst eine Antireflexi- onsbeschichtung 418, die bevorzugt Si 3 N 4 aufweist. Die Antireflexionsbeschich- tung 418 ist bevorzugt antireflektierend für das zu detektierende Licht, insbesondere für Licht im sichtbaren Spektralbereich.
Die n + -Wanne ist bevorzugt eine stark Phosphor oder Arsen dotierte Wanne. Die n ' -Wanne ist bevorzugt eine schwach Phosphor oder Arsen dotierte Wanne. Die p + -Wanne ist bevorzugt eine schwach Bohr dotierte Wanne. Des Weiteren bezeichnet in Fig. 11 PROT1 eine Schutzschicht, IMD2 und IMD1 jeweils eine nasschemisch hergestellte Siliziumoxidschicht, die zwischen zwei Metallebenen eingebettet ist, und ILDFOX bezeichnet eine nasschemisch hergestellte Siliziumoxid-Zwischenschicht. Des Weiteren bezeichnen in Fig. 11 die Ausdrücke „Via 1"und „Via 2" eine öffnung oder ein Loch in der IMD 1 bzw. IMD 2. Die Ausdrücke „MetalM", „Metall2" und „Metall 3" bezeichnen jeweils eine Metallebene.
Fig. 12 zeigt schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Spektralsensors 501. Der optische Spektralsensor 501 unterscheidet sich von dem in Fig. 11 dargestellten herkömmlichen Sensor 401 durch die Metallfilme 509. Die Metallfilme 509 bilden zusammen mit dem die Metallfilme 509 umgebenden dielektrischen Medium photonische Kristalle 502. Die optoelektronische Halbleiteranordnung wird, wie bei dem herkömmlichen optischen Spektralsensor in Fig. 11 , durch folgende Schichtfolge gebildet: p ' - Substrat, n ' -Wanne, n + -Wanne. In einem weiteren Herstellungsschritt wird eine
dielektrische Schicht ILDFOX auf die Halbleiteranrodung aufgebracht. In diese werden dann Vias (Durchführungen) eingebracht. Diese Vias werden anschließend mit Metall verfüllt. Zwecks Verbindung der Durchführungen wird anschließend eine weitere Metalllage aufgebracht, die mittels optischer Lithographie strukturiert wird. Ebenso kann die Metalllage zur Herstellung der metallischen periodischen Struktur eines metallischen photonischen Kristalls verwendet werden. Einfallendes Licht 506 durchsetzt die Antireflexionsbeschichtung 518 und die photonischen Kristalle 502. In den photonischen Kristallen 502 bilden sich Oberflächenplasmonen aus, die das einfallende Licht 506 beeinflussen. Das durch die photonischen Kristalle 502 transmittierte Licht wird von der optoelektronischen Halbleiteranordnung 503 detektiert, wobei elektrische Signale erzeugt werden, die von der Auswerteeinheit 4 ausgewertet werden.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen optischen Spektralsensors 501 erfordert im Vergleich zur Herstellung des herkömmlichen Sensors 401 keine zusätzlichen Prozessschritte, so dass auf einfache Art und Weise auf bekannte Halbleiterprozesse zur Herstellung des erfindungsgemäßen photonischen Kristalls zurückgegriffen werden kann. So lassen sich die metallischen periodischen Strukturen gemeinsam mit den metallischen Verbindungsleitungen einer integrierten Halbleiterschaltung herstellen. Die metallischen Verbindungen der einzelnen Komponenten sind hierbei Standardelemente eines jeden Halbleiterprozesses. Strukturiert werden die Metallverbindungen mittels optischer Lithographie. Im selben Arbeitsschritt können auch die periodischen metallischen Strukturen hergestellt werden.
Die optoelektronische Halbleiteranordnung weist bevorzugt Silizium auf, sie kann aber stattdessen oder auch zusätzlich Germanium, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Indiumphosphit oder amorphes Silizium aufweisen.
Fig. 13 zeigt eine schematische Ansicht eines Spektralsensors 19 zum Detektie- ren unterschiedlichen Wellenlängen und/oder Polarisationen, der mehrere erfindungsgemäße optische Spektralsensoren 1a, 1 b, 1c aufweist. Der Spektralsensor 19 zum Detektieren unterschiedlicher Wellenlängen und/oder Polarisationen weist insbesondere drei unterschiedliche erfindungsgemäße optische Spektralsensoren 1a, 1b, 1c auf. Die photonischen Kristalle der optischen Spektralsensoren 1a, 1b, 1c sind so angepasst, dass sie unterschiedliche Wellenlängensensitivitäten und/oder Polarisationssensitivitäten aufweisen. Unterschiedliche Wellenlängensensitivitäten können beispielsweise erreicht
werden, indem die Metallfilme der photonischen Kristalle unterschiedliche Lochabstände und/oder Lochdurchmesser aufweisen. Die photonischen Kristalle der optischen Spektralsensoren 1a, 1b, 1c sind so angepasst, dass jeder optische Spektralsensor 1a, 1 b, 1c einen anderen Spektralbereich detektiert. Insbesondere können die optischen Spektralsensoren 1a, 1 b, 1c so angepasst sein, dass jeder optische Spektralsensor nur eine bestimmte Farbe detektiert, beispielsweise Rot, Blau und Grün. Der Spektralsensor 19 zum Detektieren unterschiedlicher Wellenlängen und/oder Polarisationen ist insbesondere mit einem Strom- oder Spannungsverstärker 22 verbunden, der die elektrischen Signale der optischen Spektralsensoren 1a, 1 b, 1c, d.h. die optoelektronische Antwort der Halbleiteranordnungen, verstärkt, so das sie in einem weiteren Schritt verarbeitet werden können. Diese Verarbeitungseinheit 23 stellt auch die Verbindung mit einer weiteren externen Verarbeitungs- oder Ausgabeeinheit 24 her. Die Verarbeitungselektronik 23 dient unter anderem dazu die verstärkten Sensorsignale (analoge Signale) in digitale Signal umzuwandeln. Weiterhin werden die digitalen Signale so aufbereitet, dass diese an eine externe Verarbeitungselektronik 24 weiter gegeben werden können. Die Verarbeitungselektronik 24 sorgt für die Kommunikation zwischen dem optischen Spektralsensor und weiteren elektronischen Geräten wie z.B. einem Computer oder einem Speichermedium zur Speicherung der Bild/Sensorinformation.
Wenn, wie in Fig. 13 dargestellt, das Spektralsensorelement 19 zum Detektieren unterschiedlicher Wellenlängen und/oder Polarisationen drei erfindungsgemäße optische Spektralsensoren 1a, 1 b, 1c aufweist, bildet dieser Spektralsensor 19 bevorzugt einen Farbsensor. Wenn der Spektralsensor 19 zum Detektieren unterschiedlicher Wellenlängen und/oder Polarisationen mehr als drei erfindungsgemäße optische Spektralsensoren aufweist, die unterschiedliche Wellen- längensensitivitäten aufweisen, so bildet der Spektralsensor 19 bevorzugt einen Multispektralsensor. Wenn der Spektralsensor 19 zum Detektieren unterschiedlicher Wellenlängen und/oder Polarisationen eine Vielzahl von erfindungsgemäßen optischen Spektralsensoren aufweist, die unterschiedliche Wellenlängenselektivitäten aufweisen, und wenn die Auswerteeinheit 24 das Spektrum des einfallenden Lichtes 6 und der elektrischen Signale der erfindungsgemäßen optischen Spektralsensoren 1a, 1 b, 1c rekonstruiert, bildet dieser Spektralsensor 19 bevorzugt ein Spektrometer.
Damit die optischen Spektralsensoren 1a, 1b, 1c unterschiedliche Polarisations- sensitivitäten aufweisen, können die Löcher der Metallfilme der unterschiedlichen
optischen Spektralsensoren 1a, 1b, 1c unterschiedliche Formen aufweisen. So ist die Transmission durch einen photonischen Kristall beispielsweise polarisationsabhängig, wenn die Löcher keinen kreisrunden Querschnitt sondern einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei zwei Seiten des Rechtecks unterschiedlich lang sind. Die Längen der Seiten des Rechteckes, das den Querschnitt des jeweiligen Loches bildet, können so gewählt werden, dass Licht vorgegebener Polarisation die photonischen Kristalle durchsetzt. Eine Anpassung dieser Längen an gewünschte polarisationsabhängige Transmissionen kann beispielsweise durch Kalibrierung erfolgen.
Fig. 14 ist eine schematische Ansicht eines Zeilensensors 20, der mehrere Farbsensoren 19 aufweist. Auch dieser Zeilensensor 20 ist mit einem Verstärker 26, einer Verarbeitungs- und Auswerteeinheit 27 und einer externen Ausgabeoder Verarbeitungseinheit 28 verbunden. Der Zeilensensor 20, der Verstärker 26 und die Verarbeitungs- und Auswerteeinheit 27 sind in einer Halbleiterschaltung 29 integriert. Durch den Zeilensensor 20 kann neben der Farbinformation des einfallenden Lichtes 6 auch eine Ortsinformation ermittelt werden. Die Verarbeitungselektronik 27 dient auch hier dazu die verstärkten Sensorsignale (analoge Signale) in digitale Signal umzuwandeln. Weiterhin werden die digitalen Signale so aufbereitet, dass diese an eine externe Verarbeitungselektronik 28 weiter gegeben werden können. Die Verarbeitungselektronik 27 sorgt für die Kommunikation zwischen dem optischen Spektralsensor und weiteren elektronischen Geräten wie z.B. einem Computer oder einem Speichermedium zur Speicherung der Bild/Sensorinformation.
Fig. 15 zeigt eine schematische Ansicht eines Bildsensors 21 , der eine zweidimensionale Anordnung der Farbsensoren 19 aufweist. Auch der Bildsensor 21 ist mit einem oder mehreren Verstärkern 33 ausgestattet, welche die elektrischen Signale des Spektralsensors verstärken. Anschließend werden die Signale von einer Verarbeitungseinheit 30 verarbeitet und an eine externe Auswerteinheit 31 weitergegeben. Der Bildsensor 21 , der oder die Verstärker 33 und die Verarbeitungs- und Auswerteeinheit 30 sind in einer Halbleiterschaltung 32 integriert. Mittels des Bildsensors 21 können neben der Farbinformation auch zweidimensionale Ortsinformationen ermittelt werden. Die Verarbeitungselektronik 30 dient auch hier dazu die verstärkten Spektralsensorsignale (analoge Signale) in digitale Signal umzuwandeln. Weiterhin werden die digitalen Signale so aufbereitet, dass diese an eine externe Verarbeitungselektronik 31 weiter gegeben werden können. Die Verarbeitungselektronik 31 sorgt für die Kommunikation
zwischen dem optischen Spektralsensor und weiteren elektronischen Geräten wie z.B. einem Computer oder einem Speichermedium zur Speicherung der Bild/Sensorinformation.
Fig. 16 stellt einen Farbsensor dar. Dabei wird das Licht 1601 mittels dreier Spektralsensoren, welcher einem bestimmten Spektrum zugeordnet ist, in ein Farbsystem, welches zur Darstellung dient überführt. Beispielsweise ist ein solches Farbsystem, dass zur Farbdarstellung verwendete Farbsystem des Femsehers (ROT, GRüN, BLAU mit R, G und B gekennzeichnet), mit denen das sichtbare Farbspektrum durch überlagerung nachbildbar ist. Dabei filtern die drei Spektralsensoren 1602 je einer ROT, einer GRüN und einer BLAU. Deren Signal wird mittels Verarbeitungselektronik 1603 aufbereitet und mittels Farbverarbei- tungseinheit 1604 einem Wert für ROT, GRüN und BLAU zugeordnet. Dadurch wird ein Bildsensor realisiert, welcher die sichtbaren Eindrücke nachbilden kann.
Fig. 17 stellt einen Zeilensensor dar. Vorteilhafterweise wird hier zusätzlich noch eine räumliche Information erarbeitet. Das einfallende Licht 1701 wird durch die Spektralsensoren 1702 (1...N) gefiltert. Danach wird das gefilterte Spektralsensorsignal durch die Verarbeitungselektronik 1703 aufbereitet und anschließend durch die Farbverarbeitungseinheit 1704 den Farbwerten zugeordnet. Dabei wird zusätzlich die Nummer des Spektralsensors mitgeteilt, so dass anschließend eine räumlich- spektrale Information vorliegt.
Mittels bekannter Halbleiterherstellungsverfahren, beispielsweise mittels photolithographischer Verfahren, lassen sich optische Spektralsensoren mit unterschiedlichen Wellenlängen und/oder Polarisationssensitivitäten herstellen. Dies ermöglicht eine einfache und leichte Herstellung, beispielsweise von Farbsensoren. Bekannte Farbsensoren verwenden dagegen Absorptionsfilter, wobei jeder einzelne Filter für Rot, Grün und Blau separat aufgebracht werden muss, was zu einem aufwendigen Herstellungsprozess herkömmlicher Farbsensoren führt. Dieser erfindungsgemäße Vorteil ist noch augenscheinlicher im Bereich der Multispektraltechnik, die sich mit der möglichst genauen Detektion des optischen Spektrums des einfallenden Lichtes befasst. Hierbei sind in der Regel eine Vielzahl von Sensorkanälen, das heißt von optischen Spektralsensoren, erforderlich. Die Integration dieser Vielzahl von optischen Spektralsensoren, die unterschiedliche Absorptionsfilter aufweisen, ist sehr aufwendig und komplex. Mittels herkömmlicher Halbleiterherstellungsverfahren können Spektralsensoren zum Detektieren unterschiedlicher Wellenlängen und/oder Polarisationen, die
mehrere optische Spektralsensoren aufweisen, in einem Herstellungsprozess hergestellt werden, was die Herstellung derartiger Spektralsensoren, insbesondere in dem Bereich der Multispektraltechnik, erleichtert.
Wesentlich für die Herstellung der Spektralsensoren ist die Herstellung der unterschiedlichen metallischen photonischen Kristalle. Wie bereits in Fig. 4-6 dargestellt, lassen sich die optischen Eigenschaften des metallischen photonischen Kristalls unter anderem durch die Durchmesser und den Abstand der Löcher eines Locharrays gezielt einstellen. Herstellen lassen sich die Locharrays mittels optischer Lithographie. Mithin lassen sich Locharrays mit unterschiedlichem Durchmesser und unterschiedlichem Abstand der Löcher in einem Arbeitsschritt herstellen. Mithin können Spektralsensoren mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit in einem Arbeitsschritt hergestellt werden. Deutlich wird dies in Fig. 5. Der Durchmesser und der Abstand der Löcher des metallischen photonischen Kristalls werden hierbei jeweils durch die Dimensionen der lithographischen Maske vorgegeben.
Wie oben bereits erwähnt, werden bei bekannten optischen Spektralsensoren, optische Filter verwendet, um eine gewünschte Wellenlängenselektivität zu erzeugen, die einige Mikrometer von der eigentlichen optoelektronischen Halbleiteranordnung entfernt sind. Werden nun derartige optische Spektralsensoren in einer Zeile oder flächig angeordnet, so tritt auf Grund des relativ großen Abstandes zwischen dem jeweiligen optischen Filter und dem optischen Spektralsensor ein so genanntes Pixelübersprechen auf. Das heißt, Licht, das einen bestimmten optischen Filter durchsetzt, trifft nicht oder nicht nur auf die dazugehörige optoelektronische Halbleiteranordnung, sondern auf die optoelektronische Halbleiteranordnung des benachbarten optischen Spektralsensors. Hierdurch wird die Ortsauflösung bekannter Zeilen- und Bildsensoren vermindert. Erfindungsgemäß kann der Abstand zwischen dem photonischen Kristall und der optoelektronischen Halbleiteranordnung so reduziert werden, dass das Pixelübersprechen im Vergleich zu bekannten Zeilen- und Bildsensoren stark reduziert ist. Des Weiteren kann der Metallfilm des photonischen Kristalls unmittelbar auf der optoelektronischen Halbleiteranordnung angeordnet sein, wodurch das Pixelübersprechen sogar vollständig verhindert wird.
Des Weiteren verwenden, wie oben bereits beschrieben, bekannte Zeilen- und Bildsensoren Absorptionsfilter, um Lichtwellenlängen selektiv zu detektieren. Die Eigenschaften solcher Absorptionsfilter lassen sich jedoch im Vergleich zu
photonischen Kristallen nur in einem gewissen Bereich einstellen, so sind beispielsweise schmalbandige Absorptionsfilter nur mit sehr großem Aufwand herstellbar. Die optischen Eigenschaften von photonischen Kristallen lassen sich dagegen gezielt und einfach, wie oben beschrieben, einstellen.
Obwohl in der obigen Beschreibung ein Bestandteil des photonischen Kristalls als Metallfilm bezeichnet worden ist, ist die Erfindung nicht auf bestimmte Dicken des Metallfilms beschränkt. Der Metallfilm kann auch Dicken aufweisen, die größer oder kleiner sind als die oben genannten 200 nm.
Die in der Beschreibung genannten Verstärker und Auswerteeinheiten verarbeiten die von den erfindungsgemäßen optischen Spektralsensoren empfangenen elektrischen Signale auf bekannte Art und Weise so, dass die jeweilige Farb- und/oder Intensitäts- und/oder Orts- und/oder Polarisationsinformation an eine Ausgabeeinheit weiter gegeben werden kann.
Neben dem Einsatz von optischer Lithographie lassen sich die Metallfilme beispielsweise mittels fokussierter lonenstrahlen strukturieren. Mittels fokussier- ter lonenstrahlen lassen sich Löcher mit Durchmessern kleiner als 100 nm herstellen, wobei die Metallfilme bevorzugt dicker als 100 nm sind.
Die Anpassung der optischen Spektralsensoren an gewünschte optische Eigenschaften ist nicht auf die Anpassung der oben genannten Merkmale des optischen Spektralsensors, wie beispielsweise den Lochdurchmesser des photonischen Kristalls oder des Brechungsindexes des Dielektrikums, beschränkt. Erfindungsgemäß kann jedes Merkmal des optischen Spektralsensors, das zu den optischen Eigenschaften des optischen Spektralsensors beiträgt, so ausgebildet werden, dass der optische Spektralsensor gewünschte optische Eigenschaften aufweist.
Die spektrale Empfindlichkeit der spektralen Sensoren lässt sich im Wesentlichen durch die Variation der Größe, der Form und der Anordnung der Löcher und/oder Vertiefungen, und/oder Schlitze, und/oder Nanopunkte gezielt einstellen.
Dies erlaubt die Realisierung von Farbsensoren bestehend aus drei spektralen Sensoren. Ziel ist die Nachbildung der menschlichen Farbwahrnehmung. Die menschliche Farbwahrnehmung wird beschrieben durch die Normspektralkurven.
Ziel der Entwicklung bzw. der Optimierung eines Farbsensors ist es nun diese Normspektralkurven nachzubilden. Dies geschieht einerseits durch die Anpassung der spektralen Empfindlichkeit der spektralen Sensoren. Darüber hinaus könne auch mathematische Methoden (Farbverarbeitung) zur Verbesserung der Farbsignale eingesetzt werden.
Ein Zeilen- oder ein Bildsensoren besteht nun aus einer Vielzahl solcher Farbsensoren. Für eine Vielzahl von Anwendungen ist die spektrale Auflösung eines Farbsensoren allerdings nicht ausreichend. Zum Beispiel zur Kontrolle von Lacken in der Automobilindustrie oder zur Kontrolle von Erzeugnissen in der Druckindustrie. Hierfür werden Spektrometer eingesetzt. Weiterhin lassen sich solche Spektrometer z.B. zur überwachung des Reifegrades bzw. der Fäulnis von Früchten oder zur Erkennung von Hautkrebs einsetzen. Bestehende Spektrometerlösungen sind allerdings häufig zu teuer in der Herstellung. Der hier vorgeschlagene Ansatz erlaubt die sehr kostengünstige Herstellung von Spek- trometem.
Durch Variation des nanostrukturierten Metallfilms der Spektralensensoren kann das komplette optische Spektrum mit hoher spektraler Auflösung abgetastet werden. Hierfür sind je nach spektraler Empfindlichkeit der Sensoren 15-20 spektrale Sensoren erforderlich.
ähnlich wie bei einem Bildsensor lassen sich die Sensorsignale weiterverarbeiten. Der Farbfehler der so gewonnenen Farbsignale RGB ist allerdings viel geringer.