Die Empfindlichkeit strahlungsdetektierender Halbleiterbau- elemente kann dadurch verbessert werden, dass die zu detek- tierende Strahlung in die lichtempfindlichen Bereiche fokus- siert wird. Beispielsweise sind aus der US 6,221, 687 und der US 6,362, 498 Bildsensoren bekannt, die integrierte Arrays aus Mikrolinsen enthalten, die zur Fokussierung der empfangenen Strahlung auf eine Photodiode dienen. Bei den in diesen Doku- menten beschriebenen Bildsensoren werden zur Realisierung ei- ner Empfindlichkeit für verschiedene Wellenlängen bzw. Farben Farbfilter verwendet. Ein ähnliches Bauelement ist auch aus der, US 2002/0197763 A1 bekannt.

Andere Ausführungen farbempfindlicher strahlungsdetektieren- der Halbleiterbauelemente sind aus der US 5,965, 875 und der US 2003/0038296 A1 bekannt. Bei diesen Bauelementen enthält der Halbleiterkörper mehrere strahlungsempfindliche p-n- Übergänge,. die vertikal übereinander angeordnet sind. Die Farbempfindlichkeit beruht dabei darauf, dass kurzwellige Photonen aufgrund der stärkeren Absorption im Halbleiter be- vorzugt in den oberen Bereichen des Halbleiterkörpers absor- biert werden und Photonen mit größerer Wellenlänge bevorzugt in den tieferliegenden Bereichen des Halbleiterkörpers absor- biert werden.

Bei den zuvor beschriebenen strahlungsdetektierenden Bauele- menten erfolgt die Fokussierung der Strahlung mit refraktiven optischen Elementen, die wesentlich größer als die Wellenlän- ge der Strahlung sind.

Zur Fokussierung und/oder Umlenkung von Licht sind auf dem Prinzip der Lichtbeugung beruhende diffraktive Elemente be- kännt, die Strukturen in der Größenordnung der Lichtwellen- länge aufweisen. Ein fokussierendes diffraktives Element ist zum Beispiel eine Zonenplatte. Zonenplatten werden insbeson- dere im Bereich der Röntgenstrahlung zur Fokussierung von Strahlung verwendet, wo der Einsatz von Linsen aufgrund der geringen Brechungsindexunterschiede zwischen verschiedenen Materialien und der starken Absorption nicht sinnvoll ist, beispielsweise in einem aus der DE 364257 AI bekannten Rönt- genmikroskop.

Zonenplatten bestehen aus Strukturen konzentrischer Ringe, wobei die Breite der Ringe nach außen hin abnimmt. Bei der Berechnung solcher Zonenplatten ist zwischen der Verwendung im Bereich der Nahfeld-Beugung (Fresnel-Beugung) und der Fernfeld-Beugung (Fraunhofer-Beugung) zu unterscheiden.

Die Berechnung Fresnelscher Zonenplatten ist beispielsweise aus E. Hecht, Optik", Addison-Wesley (1989), bekannt. Wei- terhin wird zwischen Amplituden-und Phasenzonenplatten un- terschieden. Während bei Amplitudenzonenplatten die Strahlung jeder zweiten Fresnelschen Zone durch ein absorbierendes Ma- terial ausgeblendet wird, wird bei einer Phasenzonenplatte zwischen zwei benachbarten Zonen ein Gangunterschied dadurch erzeugt, dass sich die Materialien der Zonen in ihrem Bre- chungsindex und/oder ihrer Dicke unterscheiden. Bei beiden Ausführungsformen der Zonenplatten tritt jeweils im Fokus, dessen Position von der Wellenlänge der einfallenden Strah- lung abhängt, konstruktive Interferenz auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes strahlungsdetektierendes optoelektronisches Bauelement an- zugeben, das sich insbesondere durch eine verbesserte Emp- findlichkeit und die Möglichkeit zur wellenlängenselektiven Strahlungsdetektion auszeichnet. Weiterhin soll ein Herstel-

lungsverfahren für ein derartiges optoelektronisches Bauele- ment angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optoelektroni- sches Bauelement nach Patentanspruch 1, ein Verfahren nach Patentanspruch 16 oder eine Verwendung nach Patentanspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Bei einem optoelektronischen Bauelement mit einem Halbleiter- chip, der mindestens eine strahlungsempfindliche Zone zur De- tektion elektromagnetischer Strahlung aufweist, und mit einem optischen Element zur Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung in die strahlungsempfindliche Zone, ist das opti- sche Element ein diffraktives optisches Element.

Ein Vorteil der Fokussierung der elektromagnetischen Strah- lung in die strahlungsempfindlichen Bereiche durch ein diffraktives Element besteht darin, dass die Strukturen des diffraktiven Elements, die in der Größenordnung der Wellen- länge der elektromagnetischen Strahlung liegen, durch einen bei der Herstellung von Halbleiterchips üblichen photolitho- graphischen Prozeß hergestellt werden können. Insbesondere können die bei integrierten Schaltkreisen, beispielsweise in CMOS-Technologie, bereits vorhandenen metallischen und/oder dielektrischen Schichten zur Herstellung des diffraktiven E- lements verwendet werden.

Im Vergleich zu refraktiven optischen Elementen ist es beson- ders vorteilhaft, dass ein diffraktives optisches Element als ebene Struktur in der Ebene des Halbleiterchips ausgebildet werden kann. Beispielsweise entfällt dadurch im Vergleich zur Herstellung von Mikrolinsen die technisch vergleichsweise aufwendige Herstellung konvexer Strukturen in der Richtung der einfallenden Strahlung, die senkrecht und/oder schräg zur Ebene des Halbleiterchips verläuft.

Die zu detektierende Strahlung kann beispielsweise eine Wel- lenlänge zwischen etwa 100 nm im ultravioletten Spektralbe- reich und etwa 5 Mm im infraroten Spektralbereich aufweisen.

Insbesondere kann es sich bei der zu detektierenden Strahlung um Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich von etwa 400 nm bis 800 nm handeln.

Der Abstand zwischen dem diffraktiven Element und einer strahlungsempfindlichen Zone des Halbleiterchips beträgt vor- zugsweise weniger als 20 Um.

Das diffraktive Element ist insbesondere eine Zonenplatte.

Bevorzugt gilt für die Fresnel-Zahl F der Zonenplatte F=D2/#R>1, wobei D der Durchmesser der Zonenplatte ist und R der Abstand zwischen der Zonenplatte und der strahlungsempfindlichen Zo- ne, in der Strahlung mit der Wellenlänge X detektiert wird.

Die strahlungsempfindliche Zone liegt dabei im Nahfeld der Zonenplatte, bei der es sich also um eine Fresnel-Zonenplatte handelt.

Der Halbleiterchip kann sowohl eine als auch mehrere strah- lungsempfindliche Zonen aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die chromatische Aberration einer Zonenplatte dazu ausgenutzt wird, eine Farbempfindlichkeit des strahlungsde- tektierenden Bauelements herzustellen. Vorzugsweise sind dazu in der Richtung der einfallenden Strahlung mehrere strah- lungsempfindliche Zonen hintereinander angeordnet, wobei die strahlungsempfindlichen Zonen für kürzere Wellenlängen denen für längere Wellenlängen nachgeordnet sind. Mit der Zonen- platte wird so gleichzeitig eine Fokussierung der Strahlung als auch eine Wellenlängenselektion erreicht. Beispielsweise können drei strahlungsempfindliche Zonen für die Primärfarben

Rot, Grün und Blau in den verschiedenen Fokalebenen für die jeweilige Farbe angeordnet sein.

Die Zonenplatte ist beispielsweise eine Amplituden-Zonenplat- te, bei der die Zonen abwechselnd aus einem transparenten und einem absorbierenden Material bestehen. Das absorbierende Ma- terial ist z. B. ein Metall.

Vorzugsweise ist die Zonenplatte eine binäre Phasen-Zonen- platte. Die Zonen bestehen dabei abwechselnd aus jeweils ei- nem von zwei transparenten Materialien. Beispielsweise kann es sich bei diesen Materialien um ein Siliziumoxid oder um ein Siliziumnitrid handeln. Da bei der Phasen-Zonenplatte im Gegensatz zur Amplituden-Zonenplatte nicht die Hälfte aller Zonen durch Absorption ausgeblendet wird, ist die Strahlungs- amplitude im Fokus einer Phasen-Zonenplatte um etwa einen Faktor 2 größer, also die Intensität um etwa einen Faktor 4 größer als bei einer Amplituden-Zonenplatte.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei- spielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 näher erläu- tert.

Es zeigen Figur 1 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements gemäß der Erfindung und Figur 2 eine schematisch dargestellte Aufsicht auf ein Aus- führungsbeispiel einer Zonenplatte.

Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Der in Figur 1 dargestellte strahlungsdetektierende Halblei- terchip 2 enthält jeweils zwei n-dotierte Bereiche 4,6 und

p-dotierte Bereiche 3,5, die beispielsweise in dem Grundma- terial Silizium ausgebildet sind. Die Übergangsbereiche zwi- schen den p-dotierten und den n-dotierten Bereichen fungieren als strahlungsempfindliche Zonen 7,8, 9. Die elektrische Kontaktierung und Verschaltung des Halbleiterbauelements kann beispielsweise in einer Kontaktierungsebene 19 durch metalli- sche Leiterbahnen 16 erfolgen.

Auf den Halbleiterchip 2 einfallende elektromagnetische Strahlung 17 wird durch eine Zonenplatte 1 in die strahlungs- empfindlichen Zonen 7,8, 9 fokussiert. Durch diese Fokussie- rung wird einerseits die Empfindlichkeit des Bauelements er- höht und andererseits durch Ausnutzung des Farbfehlers der Zonenplatte (chromatische Aberration) eine Farbempfindlich- keit erreicht. Im Gegensatz zu einer Linse nimmt bei einer Zonenplatte die Brennweite mit zunehmender Wellenlänge des Lichts ab. Eine wellenlängenselektive Strahlungsdetektion kann deshalb dadurch erreicht werden, dass in der Einfalls- richtung des Lichts 17 mehrere strahlungsempfindliche Zonen 7,8, 9 hintereinander angeordnet sind, wobei die strahlungs- empfindlichen Zonen für kürzere Wellenlängen denen für länge- re Wellenlängen nachgeordnet sind.

Zum Beispiel enthält der Halbleiterchip 2 eine strahlungsemp- findliche Zone 7 in der Fokalebene 11 für rotes Licht, eine in der Richtung des einfallenden Lichts 17 nachfolgende zwei- te strahlungsempfindliche Zone 8 in der Fokalebene 12 für grünes Licht und nachfolgend eine dritte strahlungsempfindli- che Zone 9 in der Fokalebene 13 für blaues Licht. In diesem Beispiel ist also ein Strahlungsdetektor für die drei Primär- farben realisiert. Im Rahmen der Erfindung ist auch eine an- dere Anzahl strahlungsdetektierender Bereiche und eine andere Auswahl zu detektierender Wellenlängenbereiche bzw. Farben möglich.

Die Zonenplatte 1 ist bevorzugt ein integraler Bestandteil des Halbleiterchips 2. Beispielsweise folgt innerhalb des

Halbleiterchips auf die Kontaktierungsebene 19, in der die metallischen Leiterbahnen 16 ausgebildet sind, eine dielek- trische Schicht 18, auf die eine metallische oder dielektri- sche Schicht aufgebracht ist, in der durch eine photolitho- graphische Strukturierung die Struktur der Zonenplatte 1 aus- gebildet ist. Die Zonenplatte 1 weist eine Struktur konzen- trischer Ringe auf, die abwechselnd Bereiche 14, 15 aus ver- schiedenen Materialien enthält. Die Bereiche 14,15 können entweder aus Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes ni und n2 oder aus jeweils einem absorbierenden und einem transparenten Material gebildet sein. Die Zonenplatte ist beispielsweise mit einer transparenten Schicht 21 abgedeckt, die insbesondere zum Schutz der Zonenplatte dient. Sie kann alternativ aber auch an der Oberfläche des Halbleiterchips 2 ausgebildet sein.

Die Schichten, aus denen die Kontaktierungsebene 19 und die Zonenplatte 1 ausgebildet sind, sowie die dazwischenliegende dielektrische Schicht 18 sind vorteilhaft Bestandteile der Schichtstruktur eines integrierten Schaltkreises. Da integ- rierte Schaltkreise eine Schichtenfolge aus metallischen und dielektrischen Schichten enthalten, ist die Zonenplatte 1 vorteilhaft in einer der bereits vorhandenen Schichten mit einem in der Halbleitertechnik üblichen Prozeß, beispielswei- se photolithographisch hergestellt. Der Herstellungsaufwand wird dadurch vorteilhaft reduziert.

Ein weiterer Vorteil der Integration der Zonenplatte 1 in den Halbleiterchip 2 ist, dass im Vergleich zur Montage einer se- parat hergestellten Zonenplatte kein weiterer Aufwand für die Justierung anfällt. Insbesondere wird durch die integrierte Bauweise eine Dejustierung der Zonenplatte 1, durch die sich die Fokalebenen 11,12, 13 relativ zu den strahlungsempfind- lichen Zonen 7,8, 9 verschieben könnten, verhindert.

Eine schematisch dargestellte Aufsicht auf eine Fresnelsche Zonenplatte 1, die 7 Zonen enthält und für eine Brennweite

von 3 Mm bei einer Wellenlänge von 550 nm berechnet wurde, zeigt Fig. 2. Der Durchmesser der Zonenplatte 1 beträgt in diesem Beispiel D = 12,32 Um und die Breite der äußersten Ringzone 307 nm.

Die Zonenplatte 1 kann entweder eine Amplituden-Zonenplatte oder eine Phasen-Zonenplatte sein. Eine Amplituden- Zonenplatte enthält abwechselnd lichtundurchlässige Ringzonen 14 und lichtdurchlässige Ringzonen 15. Die lichtundurchlässi- gen Ringzonen 14 enthalten beispielsweise ein Metall und die lichtdurchlässigen Ringzonen 15 ein Dielektrikum. Alternativ können die lichtdurchlässigen Bereiche 15 auch frei von Mate- rial sein.

Die Zonenplatte 1 kann auch als Phasen-Zonenplatte ausgebil- det sein. In diesem Fall enthält die Zonenplatte Ringzonen 14 aus einem Material mit dem Brechungsindex ni und benachbarte Ringzonen 15 aus einem Material mit dem Brechungsindex n2, die jeweils beide lichtdurchlässig sind.

Die beiden lichtdurchlässigen Materialien können beispiels- weise ein Siliziumoxid und ein Siliziumnitrid sein. Diese Ma- terialien haben den Vorteil, dass sie typischerweise in den Strukturen integrierter Schaltkreise enthalten sind. Die Her- stellung der Zonenplatte läßt sich somit verhältnismäßig ein- fach in den Herstellungsprozeß eines integrierten Schaltkrei- ses integrieren. Die Brechungsindizes dieser Materialien betragen beispielsweise bei der Wellenlänge X = 550 nm nsio2 = 1,46 und nsi3N4 = 2, 05. Um einen Gangunterschied zwischen den Ringzonen 14,15 aus diesen Materialien von einer Wellenlänge X zu erzeugen, muß die Dicke d der Zonenplatte 1 betragen. Eine derartige Schichtdicke liegt in einem in der Halbleiterfertigung üblichen Bereich. Unter der Annahme, dass

eine Amplituden-Zonenplatte etwa die Hälfte der einfallenden Strahlung absorbiert, ist die Intensität im Fokus einer Pha- sen-Zonenplatte vorteilhaft um ungefähr einen Faktor 4 größer als bei der Amplituden-Zonenplatte.

Tabelle 1 : 3 (nm) D (ym) lmi (nm) f (tm) f (ym) f (ym) f (yam) f (ym) #=850nm #=650nm #=550nm #=450nm #=300nm 850 17,61 550 7 9,27 11,01 13,51 20,36 650 14,98 451 5,62 7 9,33 10,23 15,44 550 13,57 401 4,41 5, 88 7 8,61 13,01 450 12,09 350 3,55 4,76 5,68 7 10,59 300 10,59 297 2,28 3,10 3, 72 4, 60 7 In der Tabelle 1 sind beispielhaft die Durchmesser D und die minimalen Strukturgrößen lmin, die durch die Breite der äu- ßersten Ringzone gegeben sind, für Zonenplatten angegeben, die jeweils für eine bestimmte Grundwellenlänge Ao eine Brennweite von fo = 7 ym aufweisen. Die angegebenen Durchmes- ser D und minimalen Strukturgrößen 1min gelten jeweils für Zo- nenplatten mit 5 Zonen. Weiterhin sind die aufgrund der chro- matischen Aberration variierenden Brennweiten der jeweiligen Zonenplatten für verschiedene Wellenlängen im Bereich zwi- schen X = 300 nm und X = 850 nm angegeben.

Die Brennweite f einer Zonenplatte, die bei der Grundwellen- länge B0 die Brennweite fo aufweist, beträgt bei der Wellen- länge Für Wellenlängen , die kleiner als die Grundwellenlänge B0 sind, nimmt die Brennweite der Zonenplatte zu, während sie für Wellenlängen oberhalb der Grundwellenlänge abnimmt. Für eine vorgegebene Brennweite fo nimmt die minimale Struktur- größe 1min der Zonenplatte mit abnehmender Grundwellenlänge Ao

ab. Wie aus der Tabelle hervorgeht, beträgt sie beispielswei- se 1min = 550 nm für Ao = 850 nm, und lmin = 297 nm für Ao = 300 nm.

Strukturen dieser Größe sind mit Photolithographie herstell- bar. Beispielsweise wird zunächst eine Photolackschicht auf ein durchgehende Metallschicht aufgetragen, auf die anschlie- ßend eine Maske, die die Struktur der Zonenplatte enthält, projiziert wird. Vorzugsweise wird die Maske stark verklei- nert auf den Photolack abgebildet, um zu vermeiden, dass die Maske bereits als Zonenplatte wirkt und so das zur Belichtung eingesetzte Licht fokussiert. Anschließend erfolgt das Entwi- ckeln des Photolacks, wobei der Photolack zum Beispiel an den belichteten Stellen abgelöst wird, und nachfolgend ein Ätzen der Ringstruktur an den Stellen, die nicht mit dem Photolack bedeckt sind. Der Ätzprozeß kann insbesondere ein anisotroper Ätzprozeß sein. Die Zwischenräume zwischen den Ringzonen wer- den anschließend wahlweise mit einem Dielektrikum ausgefüllt oder bleiben frei.

Im Fall einer Phasen-Zonenplatte wird die Zonenplattenstruk- tur in ein erstes Dielektrikum geätzt und anschließend mit einem zweiten Dielektrikum aufgefüllt. Bei einer Zonenplatte an der Oberfläche eines Halbleiterchips können die Zwischen- räume nach dem Ätzprozeß auch frei bleiben. Bevorzugt wird die Oberfläche anschließend planarisiert, beispielsweise durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP).

Die Erläuterung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele ist selbstverständlich nicht als Einschränkung auf diese zu verstehen. Vielmehr umfaßt die Erfindung die offenbarten Merkmale sowohl einzeln als auch in jeder Kombination mitein- ander, auch wenn diese Kombinationen nicht explizit in den Ansprüchen angegeben sind.