Strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement Die Erfindung betrifft ein strahlungsdetektierendes

Halbleiterbauelement, insbesondere ein ein- oder

zweidimensionales Sensorarray.

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldungen 10 2017 005 096.1 und 10 2017 120 499.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird .

Strahlungsdetektierende Halbleiterbauelemente, die auf den Materialien Silizium und Germanium basieren, können zum

Beispiel zur Herstellung von CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) -kompatiblen Sensoren eingesetzt werden.

Germanium-Silizium-Detektoren sind insbesondere für den nahen infraroten Spektralbereich (NIR) bzw. den kurzwelligen

Infrarotbereich (SWIR) bei Wellenlängen von mehr als 1100 nm geeignet .

Bei Wellenlängen von mehr als 1100 nm erfolgt die

Strahlungsabsorption im Wesentlichen in der Germanium-Schicht eines Germanium-Silizium-Detektors, da Silizium im infraroten Spektralbereich für Strahlung transparent ist. Die

strahlungsabsorbierende Germanium-Schicht kann beispielsweise durch Heteroepitaxie auf einem Siliziumsubstrat hergestellt werden .

Da die Absorptionslänge bei senkrechtem Strahlungseinfall durch die Dicke der Germanium-Schicht bestimmt wird, kann mit einer vergleichsweise dicken Germanium-Schicht eine hohe Empfindlichkeit erzielt werden. Allerdings erhöht sich dadurch die Transitzeit der Ladungsträger, das heißt die Zeit, welche die erzeugten Ladungsträger zum Durchqueren der Absorptionsschicht benötigen. Durch eine Erhöhung der

Schichtdicke der Strahlungsabsorbierenden Schicht wird daher die Geschwindigkeit des Detektors und somit die

Frequenzbandbreite des Detektors limitiert. Zudem ist die Herstellung der Germanium-Schicht ein kostspieliger Prozess, sodass sehr dicke Germanium-Schichten im Allgemeinen

unwirtschaftlich sind. Weiterhin behindert eine zu hohe

Germanium-Schichtdicke die weitere Prozessierung (z.B. die lithografische Genauigkeit der Strukturierung) , speziell bei standardisierten Herstellungsabläufen, wie beispielsweise der CMOS-Fertigung.

Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems besteht darin, einen Detektor mit vergleichsweise dünner Germanium-Schicht innerhalb eines optischen Resonators hoher Güte herzustellen. Bei einer anderen Lösung wird eine Detektorgeometrie

verwendet, bei der das Licht parallel zum Substrat in einen Wellenleiter eingekoppelt wird, dessen Kern aus dem

Germanium-Absorber besteht. Die Ladungsträgerabführung erfolgt in diesem Fall senkrecht zur Richtung des

Strahlungseinfalls, so dass die Transitlänge und die

Absorptionsstrecke voneinander entkoppelt werden.

Beide bekannten Lösungsansätze führen zu einer Erhöhung des Herstellungsaufwands .

Die Verwendung von Resonatorstrukturen schränkt außerdem die optische Bandbreite ein. Die Verwendung einer

Wellenleiterstruktur für die Detektoren erschwert zudem die Herstellung von Sensorarrays enorm, da für jeden Pixel ein separates Einkoppelgitter sowie ein Wellenleiter bereitgestellt werden muss. Insbesondere zweidimensionale Arrays hoher Pixelzahl (z.B. für Bildsensoren) sind dadurch praktisch nicht realisierbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement anzugeben, das sich durch eine hohe Empfindlichkeit, insbesondere im

infraroten Spektralbereich, auszeichnet und insbesondere zur Bilderfassung in diesem Spektralbereich geeignet ist. Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement soll sich weiterhin durch einen vergleichsweise geringen

Herstellungsaufwand auszeichnen.

Diese Aufgabe wird durch ein strahlungsdetektierendes

Halbleiterbauelement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß zumindest einer Ausgestaltung umfasst das

strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ein

Siliziumsubstrat, das eine Oberflächenstruktur aufweist, wobei die Oberflächenstruktur einer Strahlungseintrittsfläche des Halbleiterbauelements zugewandt ist und sich mindestens bis in eine Tiefe von 100 nm in das Siliziumsubstrat hinein erstreckt.

Die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats ist

vorzugsweise eine stochastische Struktur, das heißt eine Struktur, die statistisch verteilte Erhebungen und

Vertiefungen aufweist. Eine stochastische Oberflächenstruktur kann beispielsweise mit vorteilhaft geringem

Herstellungsaufwand durch einen Plasmaätzprozess erzeugt werden. Bei diesem Herstellungsverfahren ist es vorteilhaft nicht notwendig, eine Maskenschicht auf die Oberfläche aufzubringen und zu strukturieren. Mit anderen Worten wird die Oberflächenstruktur vorzugsweise mit einem maskenfreien Verfahren hergestellt.

Alternativ ist es auch möglich, dass die Oberflächenstruktur eine deterministische Struktur ist, die beispielsweise durch ein Lithografieverfahren hergestellt wird. Weiterhin umfasst das strahlungsdetektierende

Halbleiterbauelement eine laterale Anordnung von

Detektorpixeln auf einer der Strahlungseintrittsfläche gegenüberliegenden Vorderseite des Siliziumsubstrats, wobei die Detektorpixel jeweils eine strahlungsabsorbierende

Schicht umfassen und zur Absorption von Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 1100 nm geeignet sind. Die

Detektorpixel sind insbesondere vereinzelte Strukturen eines Materials, die zur Absorption von Strahlung mit einer

Wellenlänge von mehr als 1100 nm geeignet sind.

Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ist

insbesondere zur parallelen Detektion von Strahlung im nahen infraroten Spektralbereich durch mehrere lateral

nebeneinander angeordnete Detektorpixel geeignet. Das

strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ist insbesondere ein array-artiges strahlungsdetektierendes

Halbleiterbauelement. Bei zweidimensional lateraler Anordnung der Detektorpixel kann es vorteilhaft in Kombination mit einer abbildenden Optik insbesondere zur Aufnahme von

Bildern, also als Bildsensor, verwendet werden. In

eindimensional lateraler Anordnung der Detektorpixel eignet es sich insbesondere als Zeilensensor für z.B. Linienscanner. Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ist insbesondere für Strahlung empfindlich, deren Wellenlänge oberhalb der Absorptionskante von Silizium liegt.

Durch die der Strahlungseintrittsfläche des

Halbleiterbauelements zugewandte Oberflächenstruktur des

Siliziumsubstrats wird vorteilhaft eine reflexionsmindernde Wirkung für die einfallende Strahlung erzielt und auf diese Weise die Effizienz des strahlungsdetektierenden

Halbleiterbauelements erhöht. Insbesondere wird die

einfallende Strahlung an der strukturierten Oberfläche des Siliziumsubstrates geringer reflektiert als bei einem

Halbleiterbauelement mit einer ebenen Siliziumoberfläche.

Darüber hinaus kann mit der Oberflächenstruktur des

Siliziumsubstrats nicht nur eine reflexionsmindernde Wirkung erzielt werden, sondern auch die Absorption in den

strahlungsabsorbierenden Schichten der Detektorpixel

verstärkt werden. Die Erhöhung der Absorption in den

strahlungsabsorbierenden Schichten beruht insbesondere auf einer Streuung von Strahlung an der Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats .

Insbesondere wird zumindest ein Teil der einfallenden

Strahlung derart an der Oberflächenstruktur des

Siliziumsubstrats gestreut, dass sie an einer

gegenüberliegenden Grenzfläche des Halbleiterbauelements totalreflektiert wird. Das strahlungsdetektierende

Halbleiterbauelement wird daher zumindest von einem Teil der einfallenden Strahlung zweifach oder sogar mehrfach

durchquert, wodurch sich die Absorption in den

strahlungsabsorbierenden Schichten der Detektorpixel erhöht. Die Strahlungsabsorbierende Schicht innerhalb eines jeden Detektorpixels weist vorteilhaft eine Dicke von weniger als 2 ym auf. Dadurch, dass das Siliziumsubstrat mit der

Oberflächenstruktur durch eine Verminderung der Reflexion und durch Streuung der einfallenden Strahlung die Effizienz des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements erhöht, kann vorteilhaft mit einer vergleichsweise dünnen

strahlungsabsorbierenden Schicht eine hohe Absorption erzielt werden. Bevorzugt beträgt die Dicke der

strahlungsabsorbierenden Schicht weniger als 1 ym, besonders bevorzugt weniger als 0,5 ym. Die geringe Schichtdicke der strahlungsabsorbierenden Schicht hat den Vorteil, dass sich die Transitzeit der erzeugten Ladungsträger vermindert, dass sich der Herstellungsaufwand verringert, und dass die

Kompatibilität mit anderen Herstellungsschritten gewahrt bleibt .

Die Funktionen der Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats als reflexionsmindernde Struktur und als lichtstreuende

Struktur können durch die Größen der Strukturelemente der Oberflächenstruktur gezielt beeinflusst werden. Die

Strukturelemente sind zum Beispiel eine Vielzahl von

vorzugsweise statistisch verteilten Erhebungen. Bevorzugt weist die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats Strukturelemente auf, deren Breite im Mittel zwischen 10 nm und 5 ym beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Breite der Strukturelemente zwischen nicht mehr als 1 ym, beispielsweise zwischen 100 nm und 1 ym.

Die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats weist

vorzugsweise Strukturelemente auf, deren Höhe im Mittel zwischen 500 nm und 10 ym beträgt. Die Höhe der Strukturelemente ist vorzugsweise größer als die Breite der Strukturelemente. Die Oberflächenstruktur zeichnet sich vorteilhaft durch ein hohes Aspektverhältnis aus. Das

Aspektverhältnis der Oberflächenstruktur, das heißt das

Verhältnis der Höhe zur Breite der Strukturen, beträgt vorteilhaft mindestens 1, bevorzugt mindestens 2, mindestens 5 oder sogar mindestens 10.

Die Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats kann

insbesondere nadeiförmige Strukturen aufweisen. Die

Herstellung derartiger Strukturen mit einem

Plasmaätzverfahren ist an sich bekannt und wird daher nicht näher erläutert. Durch die Streuung der einfallenden Strahlung in das

strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement erhöht sich zwar die gesamte optische Absorption in den

Strahlungsabsorbierenden Schichten. Allerdings wird ein Teil der Strahlung, die in einer einem Detektorpixel direkt gegenüberliegenden Teilfläche der Strahlungseintrittsfläche eingekoppelt wird, in Folge der Streuung nicht in eben jenem der Teilfläche gegenüberliegenden Detektorpixel absorbiert, sondern vielmehr in benachbarten Pixeln. Dies führt, insofern das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement als

Bildsensor verwendet wird, zu einem zumindest teilweisen Verlust der Bildinformation.

Um den Verlust der Bildqualität durch die gestreute

Lichteinkopplung an der Oberflächenstruktur zu verhindern und gleichzeitig von der damit einhergehenden Absorptionserhöhung in den Detektorpixeln zu profitieren, können vorteilhaft zwei Maßnahmen, idealerweise gemeinsam, ergriffen werden. Erstens ist dies die vorteilhafte Verwendung möglichst dünner Siliziumsubstrate, da hierdurch der laterale Strahlversatz eines gestreut an der Oberflächenstruktur in das

Halbleiterbauelement eingekoppelten Lichtstrahls verringert wird. Hierdurch verringert sich der Anteil des eingekoppelten Lichtes, das in benachbarten Pixeln absorbiert wird (im

Folgenden als „Übersprechen" bezeichnet) , kontinuierlich mit sinkender Substratdicke. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Siliziumsubstrat dünner als 100 ym. Das

Siliziumsubstrat kann insbesondere dünner als 50 ym oder sogar dünner als 10 ym sein.

Da der Verwendung sehr dünner Substrate prozesstechnische Grenzen, z.B. hinsichtlich der mechanischen Stabilität während der Herstellung, gesetzt sind, ist die vorteilhafte Ausdünnung dickerer Substrate im Anschluss an die

Prozessführung auf der dem Strahlungseintritt

gegenüberliegenden Seite eine weitere praktikable Methode zur Verringerung des Übersprechens. Dieses Ausdünnen kann

vorteilhaft und insbesondere im Anschluss an die Wafer- bzw. Sensorfertigung auf der Substratvorderseite von der

Substratrückseite her, welche mit der

Strahlungseintrittsfläche übereinstimmt, erfolgen. Nach erfolgtem Ausdünnen kann dann auf der Substratrückseite die Herstellung der streuenden oder beugenden Oberflächenstruktur am Ende der Prozesskette erfolgen.

Eine zweite vorteilhafte Methode zur Verringerung des

Übersprechens ist die Herstellung niedrigbrechender Gräben oder Einschlüsse (im Folgenden als „optische Gräben"

bezeichnet) zwischen den einzelnen Detektorpixeln. In Folge von innerer Totalreflexion und partieller Reflexion wird somit das, in der einem Detektorpixel gegenüberliegenden Teilfläche der Strahlungseintrittsfläche gestreut eingekoppelte Licht effizient zum dem betreffenden

Detektorpixel hingeführt. Dieser Lichtführungseffekt kann analog zur Lichtführung in optischen Wellenleitern verstanden werden. Der maximale Akzeptanzwinkel für Lichtführung steigt hierbei mit der Brechzahldifferenz zwischen dem

Siliziumsubstrat und einem Füllmaterial der optischen Gräben. Das Füllmaterial ist daher vorteilhaft möglichst

niedrigbrechend. Die Brechzahl beträgt vorteilhaft maximal 3, bevorzugt maximal 2 und besonders bevorzugt maximal 1,5.

Die die Detektorpixel trennenden Gräben oder Einschlüsse können sich von der Strahlungseintrittsfläche aus oder von einer der Strahlungseintrittsfläche abgewandten

Substratvorderseite, oder gleichzeitig von beiden Seiten aus in das Siliziumsubstrat hinein erstrecken.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des

strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements sind die

Detektorpixel durch Gräben oder Einschlüsse eines

niedrigbrechenden, nichtleitenden Materials mit einer

Brechzahl kleiner 3,5, besonders bevorzugt mit einer

Brechzahl von weniger als 2, optisch und elektrisch

voneinander separiert. Vorzugsweise sind die Detektorpixel durch Gräben, die mit Siliziumoxid, Siliziumnitrid, einem Polymer oder Luft gefüllt sind, voneinander separiert.

Für realistische Streuwinkelverteilungen der

Oberflächenstruktur reduzieren optische Gräben, welche sich über die gesamte Dicke des Substrats erstrecken, das

Übersprechen in Nachbarpixel nahezu vollständig. Die

optischen Gräben erstrecken sich vorteilhaft allerdings nicht über die gesamte Substratdicke. Vielmehr bleibt, insbesondere aus Gründen der mechanischen Stabilität des Substrats, eine gewisse Restdicke eines durchgängigen Siliziumsubstrats, bestehen. In diesem Fall tritt ein endliches Übersprechen auf, welches die Bildqualität mit zunehmender Restdicke des durchgängigen Substrats verringert. Aus diesem Grund ist die Restdicke so dünn wie möglich zu wählen. Die Restdicke des Siliziumsubstrats im Bereich der optischen Gräben beträgt daher vorteilhaft maximal 30 ym, bevorzugt maximal 10 ym und besonders bevorzugt maximal 5 ym.

Alternativ können die optischen Gräben vorteilhaft nur lokal geätzt werden. So können beispielsweise lokale Stege als Stützstrukturen zwischen den Detektorpixeln beibehalten werden, um die mechanische Stabilität des Substrats zu erhalten. Die optischen Gräben zwischen den Detektorpixeln wären demnach zwar an den Positionen der Stege lokal

unterbrochen. Sind die Stege hingegen nur klein genug, ist ein weitgehendes Unterdrücken des Übersprechens dennoch möglich. Im Extremfall wäre es damit sogar möglich, die optischen Gräben über die gesamte Substratdicke herzustellen, wobei die Detektorpixel nur noch über die verbliebenen

Stegstrukturen mechanisch miteinander verbunden sind.

Die Strahlungsabsorbierende Schicht der Detektorpixel enthält vorzugsweise Germanium oder besteht daraus. Insbesondere umfasst die Strahlungsabsorbierende Schicht Si _x Ge _y Sn _z Pb _w mit 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1 und 0 < w < 1 oder besteht daraus. Diese Legierungen sind insbesondere zur Herstellung eines strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements für Wellenlängen, die größer als 1100 nm sind, geeignet.

Insbesondere sind folgende Materialien für die

Strahlungsabsorbierenden Schichten geeignet: Si _x Ge _y Sn _z mit 0 -S x < 1, 0 < y < 1 und 0 < z < 1 ; Si _x Ge _y mit 0 < x < 1 und 0 < y < 1 sowie Pb _x Ge _y mit 0 -S x < 1 und 0 < y -S 1.

Bei dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelement sind die strahlungssensitiven Detektorpixel vorteilhaft an einer der Strahlungseintrittsfläche gegenüber liegenden Vorderseite des Siliziumsubstrats angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung trifft die einfallende Strahlung zunächst auf die

Oberflächenstruktur des Siliziumsubstrats auf der

Substratrückseite und erreicht die Detektorpixel nach der Durchquerung des Siliziumsubstrats. Die Vorderseite des Siliziumsubstrats, auf welcher sich die Detektorpixel befinden, kann bei dieser Ausgestaltung eine ebene Fläche sein. Bei dieser Ausgestaltung unterscheiden sich die

Brechungsindizes des Siliziumsubstrats und der

Strahlungsabsorbierenden Schicht vorzugsweise nur geringfügig voneinander, so dass die Reflexion der einfallenden Strahlung an der Grenzfläche zwischen der Vorderseite des

Siliziumsubstrats und der Strahlungsabsorbierenden Schicht in den Detektorpixeln nur gering ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die strahlungsabsorbierende Schicht aus Germanium besteht, da sich die Brechungsindizes von Silizium und Germanium nur geringfügig voneinander unterscheiden. Bei einer Ausgestaltung ist zwischen dem Siliziumsubstrat und der Strahlungsabsorbierenden Schicht mindestens eine

Zwischenschicht angeordnet. Die mindestens eine

Zwischenschicht ist beispielsweise eine Pufferschicht, die vorteilhaft die Fehlanpassung der Kristallgitter von Silizium und Germanium bzw. Si _x Ge _y Sn _z Pb _w ausgleicht und so das

epitaktische Aufwachsen der Germanium-Schicht bzw.

Si _x Ge _y Sn _z Pb _w -Schicht in hoher Schichtqualität ermöglicht. Die mindestens eine Zwischenschicht kann beispielsweise eine Gradientenschicht mit räumlich variierender

Materialzusammensetzung sein, z.B. die Si _x Gei- _x mit 0 < x < 1 aufweist. In der Gradientenschicht kann der Germaniumanteil beispielsweise in Richtung der Germanium-Schicht schrittweise oder kontinuierlich zunehmen. Weiterhin kann diese mindestens eine Zwischenschicht nur aus Germanium bestehen, die durch spezielle Ausheilprozesse bei hohen Temperaturen eine geringe Durchstoßverset zungsdichte aufweist . Die Detektorpixel des Halbleiterbauelements können

insbesondere Photodioden, Photowiderstände, Metall-Oxid- Halbleiter-Kapazitäten oder Phototransistoren sein. Zur elektrischen Kontaktierung der Detektorpixel können diese mit Elektroden versehen werden, ebenso wie die

Substratvorderseite oder die Substratrückseite.

Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ist

insbesondere zur Bilderfassung im Spektralbereich größer 1100 nm geeignet. Dadurch, dass die Detektorpixel des

strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements jeweils eine

Strahlungsabsorbierende Schicht enthalten, die zur Absorption von Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 1100 nm geeignet sind, können die Detektorpixel vorteilhaft Strahlung im infraroten Spektralbereich detektieren, wodurch Bilder im infraroten Spektralbereich aufgenommen werden können.

Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass das

strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement sowohl Strahlung im sichtbaren Spektralbereich als auch Strahlung im

infraroten Spektralbereich detektiert, sodass gleichzeitig sowohl Bilder im sichtbaren, als auch im infraroten

Spektralbereich aufgenommen werden können. Beispielsweise kann unterhalb eines Infrarotabsorbers aus Si _x Ge _y Sn _z Pb _w , dem Siliziumsubstrat zugewandt, ein reiner Siliziumabsorber nur zur Absorption von Strahlung im sichtbaren Spektralbereich eingesetzt werden.

Das strahlungsdetektierende Halbleiterbauelement ist

vorteilhaft zur parallelen, mehrkanaligen Detektion von

Strahlung geeignet. Die Strahlungsabsorbierenden Schichten der Detektorpixel des strahlungsdetektierenden

Halbleiterbauelements sind vorzugsweise Bestandteil von Photodioden, Phototransistoren, Photowiderständen oder

Metall-Oxid-Halbleiter-Kapazitäten .

Die Ansteuerung und Auslesung der in jedem Detektorpixel einfallenden oder über ein Zeitintervall gesammelten

Lichtmenge erfolgt vorzugsweise mittels einer pixelweisen Verarbeitungselektronik.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von

Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines

strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einer

zweidimensionalen Detektorpixelanordnung,

Fig. 2 mehrere Rasterelektronenmikroskopaufnahmen

exemplarischer Oberflächenstrukturen in Silizium, die zur Lichtstreuung oder -beugung verwendet werden können,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines

strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einer eindimensionalen Detektorpixelanordnung,

Fig. 4 eine skizzenhafte Erklärung des optischen

Übersprechens anhand von Querschnittsskizzen eines

Ausführungsbeispiels mitsamt den genannten

Möglichkeiten zur Unterdrückung des Übersprechens,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein strahlungsdetektierendes

Halbleiterbauelement gemäß einem weiteren

Ausführungsbeispiel ,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein strahlungsdetektierendes

Halbleiterbauelement gemäß einem weiteren

Ausführungsbeispiel ,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein strahlungsdetektierendes

Halbleiterbauelement gemäß einem weiteren

Ausführungsbeispiel ,

Fig. 8 das mittels einer Kombination aus strahlenoptischen und rigoros-optischen Berechnungsmethoden ermittelte

Verhalten von Hauptpixelabsorption und Übersprechen als Funktion der Restdicke d _r des durchgängigen Siliziumsubstrats für ein strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement mit einem zweidimensionalen Sensorarray mit einer Pixelgröße von 30 ym x 30 ym und je 500 nm dicken Strahlungsabsorbierenden Schichten je Pixel, Fig. 9 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer beispielhaften Ausführung eines eindimensionalen Arrays von tiefen optischen Gräben zur Unterdrückung von Übersprechen.

Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die

dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel eines strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements 10 enthält ein Siliziumsubstrat 1, das eine Oberflächenstruktur 3 aufweist. Die Oberflächenstruktur 3 erstreckt sich

mindestens 100 nm, bevorzugt mindestens 500 nm in das

Siliziumsubstrat 1 hinein. Insbesondere kann das

Siliziumsubstrat 1 Strukturelemente 14 in Form von

statistisch verteilten Erhebungen aufweisen, deren Höhe im Mittel zwischen 500 nm und 10 ym beträgt. Die Breite der einzelnen Strukturelemente, aus der sich die

Oberflächenstruktur 3 zusammensetzt, beträgt bevorzugt zwischen 10 nm und 5 ym, besonders bevorzugt zwischen 50 nm und 1 ym.

Eine derartige Oberflächenstruktur 3 mit statistisch

verteilten Erhebungen kann vorteilhaft mit vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand mittels eines selbst ^¬ organisierten Plasmaätzverfahrens in Silizium hergestellt werden. Beispiele von Oberflächenstrukturen 3 mit statistisch verteilten Erhebungen sind in den oberen beiden

Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen in Fig. 2 dargestellt. Die mittlere Breite und die mittlere Höhe der Strukturelemente können dabei durch die Ätzparameter des Plasmaätzprozesses eingestellt werden.

Neben statistischen optischen Streustrukturen können auch deterministische Streustrukturen eingesetzt werden. Derartige diffraktive optische Elemente (DOE) bzw. computer-generierte Hologramme (CGH) können mittels Lithografie und

Strukturübertrag durch Ätzen im Siliziumsubstrat 1

hergestellt werden. Die untere

Rasterelektronenmikroskopieaufnähme in Fig. 2 zeigt hierzu exemplarisch eine solche Oberflächenstruktur.

Wie in Fig. 1 zu sehen, ist auf der Vorderseite 6 des

Siliziumsubstrats 1 eine laterale Anordnung

strahlungsabsorbierender Detektorpixel 2 aufgebracht, bei der es sich bei einem Ausführungsbeispiel um PIN-Photodioden aus Germanium oder einer Germanium-Zinn-Legierung handelt. Diese Materialien sind vorteilhaft zur Absorption von Strahlung mit Wellenlängen von mehr als 1100 nm geeignet, bei denen das Siliziumsubstrat 1 im Wesentlichen transparent ist und somit nur unwesentlich zur Absorption beiträgt. Die Beleuchtung des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements 10 mit

Wellenlängen größer als 1100 nm kann somit über die

oberflächenstrukturierte Strahlungseintrittsfläche 5 an der Substratrückseite erfolgen, wobei das Siliziumsubstrat 1 ein transparentes Fenster darstellt.

Aufgrund der Oberflächenstruktur 3 ändert sich der

Brechungsindex an der Strahlungseintrittsfläche 5 nicht abrupt, sondern weist einen Gradienten auf, wobei der

Brechungsindex vorzugsweise kontinuierlich in Richtung des Siliziumsubstrats 1 ansteigt. Auf diese Weise wird

insbesondere die Rückwärtsstreuung bzw. Reflexion der einfallenden Strahlung vorteilhaft vermindert. Dadurch erhöht sich vorteilhaft die Nachweiseffizienz der Detektorpixel 2 des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements 10. Ein weiterer vorteilhafter Effekt der Oberflächenstruktur 3 ist, dass die einfallende Strahlung zumindest teilweise an der Oberflächenstruktur 3 in Vorwärtsrichtung gestreut wird. Dies bewirkt, dass sich zumindest ein Teil der in das

Siliziumsubstrat 1 eintretenden einfallenden Strahlung unter einem derartigen Winkel in dem Siliziumsubstrat 1 ausbreitet, dass sie an der dem Strahlungseinfall abgewandten Seite der Detektorpixel 2 bzw. der Substratvorderseite 6

totalreflektiert wird. Dieser Anteil der gestreuten Strahlung kann nach einer ein- oder mehrfachen Reflexion innerhalb des Substrats 1 erneut auf die strahlungssensitiven Detektorpixel 2 treffen, wodurch sich die Lichtausbeute weiter erhöht. Die reflexionsmindernde Wirkung und streuende Wirkung der

Oberflächenstruktur 3 ergeben zusammen eine signifikante Erhöhung der Absorption in den Strahlungsabsorbierenden

Schichten 8 der Detektorpixel 2 des strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements 10, die insbesondere ein Vielfaches der Absorption betragen kann, die bei Verwendung eines

unstrukturierten Siliziumsubstrats erzielt würde. Aufgrund der durch die vorteilhaften Wirkungen der

Oberflächenstruktur 3 erzielten hohen Absorptionseffizienz können bei dem strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelement 10 vorteilhaft vergleichsweise dünne Strahlungsabsorbierende Schichten 8 in den Detektorpixeln 2 verwendet werden.

Insbesondere kann die Dicke der Strahlungsabsorbierenden

Schichten 8 weniger als 1 ym, bevorzugt weniger als 500 nm oder besonders bevorzugt sogar weniger als 200 nm betragen. Durch die vergleichsweise geringen Dicken der

Strahlungsabsorbierenden Schichten 8 in den Detektorpixeln 2 verkürzen sich die Transitzeiten der in den Detektorpixeln 8 durch Absorption erzeugten Ladungsträger. In Folge ist die Impulsantwortgeschwindigkeit der Detektorpixel 2 nahezu vollständig durch die RC-Zeitkonstante des Pixels bestimmt. Letztere kann durch eine Verringerung der Pixelfläche sehr stark reduziert werden, sodass sehr hohe

Detektorpixelbandbreiten von über 10 GHz erzielt werden können. Ergo erlaubt das strahlungsdetektierende

Halbleiterbauelement 10 durch den Einsatz sehr dünner

Absorberschichten 8 vorteilhaft sehr hohe

Messgeschwindigkeiten . Ein weiterer Vorteil der geringen Dicken der

Strahlungsabsorbierenden Schichten ist der geringe

Herstellungsaufwand. Nicht zuletzt erlauben hoch

standardisierte Fertigungsverfahren der Halbleiterindustrie keine beliebig dicken Strahlungsabsorbierenden Schichten 8, sodass diese hinsichtlich ihrer Dicke begrenzt sind.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des

strahlungsdetektierenden Halbleiterbauelements 10, bei dem die Detektorpixel 2 nicht zweidimensional lateral angeordnet sind, sondern sich nur in einer lateralen Dimension

periodisch wiederholen. Solche eindimensionalen Arraysensoren sind für eine Vielzahl von Messaufgaben von großem Interesse, z.B. in 3D-Linienscannern . Hinsichtlich weiterer

vorteilhafter Ausgestaltungen entspricht das

Ausführungsbeispiel der Fig. 3 dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1, so dass diese nicht nochmals erläutert werden. Eine negative Begleiterscheinung der streuenden

Lichteinkopplung in das strahlungsdetektierende

Halbleiterbauelement 10 über die Oberflächenstruktur 3 ist ein Effekt, der als „optisches Übersprechen" bekannt ist. Dieser ist in Fig. 4 links in der Teilfigur (a) schematisch dargestellt. Optisches Übersprechen bezeichnet den Umstand, dass Strahlung 9, die direkt unterhalb eines Detektorpixels 2 an der Oberflächenstruktur 3 in das Halbleiterbauelement eintritt, durch die Lichtstreuung beim Eintritt zu einem gewissen Anteil nicht in dem Detektorpixel 2 selbst, sondern in benachbarten oder sogar weiter entfernten Detektorpixeln 2 absorbiert wird. Wird das strahlungsdetektierende

Halbleiterbauelement z.B. als Bildsensor verwendet, führt das Streulicht 11 zu einem „Verwaschen" des Bildes, im Extremfall sogar zu einer nahezu völligen Unkenntlichkeit des Bildes.

Da der laterale Strahlversatz eines gestreut eingekoppelten Lichtstrahls 9 auf der Substratvorderseite, auf welcher sich die Detektorpixel 2 befinden, proportional zur Substratdicke ist, besteht eine Möglichkeit zur Minimierung des

Übersprechens in einer Reduzierung der Dicke des

Siliziumsubstrates 1, wie Teilfigur 4b skizzenhaft

verdeutlicht. Das Substrat 1 ist vorzugsweise dünner als 100 ym. Das Substrat 1 kann auch dünner als 50 ym oder sogar dünner als 10 ym sein. Die für die Sensorfertigung und - handhabung erforderliche mechanische Stabilität des (teil- ) fertigen Halbleiterbauelementes setzt einer maximalen

Ausdünnung des Siliziumsubstrates allerdings Grenzen. Sehr geringe Substratdicken von weniger als 50 ym, insbesondere aber von weniger als 10 ym, können problematisch in der

Fertigung sein. Eine weitere Möglichkeit zur Unterdrückung des optischen Übersprechens, ggf. in Kombination mit einer geringen

Substratdicke, ist in der Teilfigur (c) der Figur 4

dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind zwischen den Detektorpixeln 2 Gräben 4 ausgebildet, die sich so tief wie möglich in das Siliziumsubstrat 1 erstrecken. In den Gräben 4 ist die Dicke des Substrats 1 auf eine Restdicke d _r

reduziert. Bleiben die Gräben 4 ungefüllt, d.h. sie

beinhalten also Luft mit einer Brechzahl von 1, oder werden mit einem niedrigbrechenden Medium gefüllt, bewirken die Gräben 4 eine Lichtführung für das gestreut eingekoppelte Licht, die im Wesentlichen auf Totalreflexion des Streulichts 11 an den vertikalen Wänden der Gräben 4 beruht. Aufgrund des hohen Brechungsindex des Siliziumsubstrates 1 von ca. 3,5 ist die Lichtführung außerordentlich stark ausgeprägt. Sind die Gräben 4 mit Luft gefüllt, so beträgt der Grenzwinkel für innere Totalreflexion an den vertikalen Grabenwänden

beispielsweise etwa 16°. Das heißt, dass Licht, welches an der Oberflächenstruktur 3 in Winkel kleiner ca.

90°- 16° = 74° gestreut eingekoppelt wird, eine vollständige Lichtführung erfährt.

Damit die Herstellung der optischen Gräben 4 nicht mit einer verminderten Verringerung der Detektorstabilität einhergeht, ist es sinnvoll, die Gräben 4 mit einem optisch

niedrigbrechenden Material aufzufüllen. Verwendet man hierfür beispielsweise Siliziumoxid S1O ₂ mit einem Brechungsindex von etwa 1,5, so ergibt sich noch immer ein sehr niedriger

Grenzwinkel für Totalreflexion von ca. 25°, sodass eine vollständige Lichtführung noch bis zu Streuwinkeln von 65° erfolgt. Lichtführung tritt grundsätzlich für jede

niedrigbrechende dielektrische Grabenfüllung auf, wobei der Grenzwinkel für innere Totalreflexion kontinuierlich mit der Brechzahl des Füllmaterials abnimmt. Es ist daher insbesondere vorteilhaft möglichst niedrigbrechende

Füllmaterialen zu verwenden. Alternativ können auch

metallische Füllungen als Spiegel verwendet werden,

allerdings mit dem Nachteil einer nicht vollständig

verlustfreien Reflexion.

Aus optischer Sicht ist es unerheblich, ob die Herstellung der optischen Gräben 4 zur Unterdrückung des Übersprechens von der Substratvorderseite 6 oder von der Substratrückseite erfolgt, oder sogar von beiden Substratseiten her. Die

Figuren 5, 6 und 7 stellen diese Varianten schematisch jeweils anhand eines Querschnitts durch ein

Ausführungsbeispiel dar. Insbesondere zeigt hierbei Fig. 5 Gräben 4 an der Vorderseite 6 des Substrats 1.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 sind die Gräben 4 an der Rückseite des Substrats 1, d.h. an einer der

Strahlungseintrittsfläche 5 zugewandten Seite des Substrats 1, ausgebildet.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 sind die Gräben 4 sowohl an der Vorderseite 6 des Substrats 1 als auch an der Rückseite des Substrats 1 ausgebildet.

Mit Hilfe von numerischen Berechnungen, welche sowohl die diffraktive Wirkung der streuend einkoppelnden

Oberflächenstruktur 3, als auch den Strahlengang einer

Vielzahl von Einzelstrahlen durch das Halbleiterbauelement berücksichtigen, kann die Wirksamkeit der optischen Gräben 4 theoretisch nachgewiesen werden. Fig. 8 zeigt entsprechende Ergebnisse für eine zweidimensionale Anordnung von

Detektorpixeln auf einem Siliziumsubstrat 1. Als Oberflächenstruktur 3 wurde hier eine stochastische „Black Silicon" Struktur (vgl. Fig. 2, Bild rechts oben) angenommen. Die Strahlungsabsorbierenden Schichten 8 in den

Detektorpixeln 2 bestehen aus kristallinem Germanium einer Dicke von 500 nm. Die Pixelgröße beträgt 30 ym x 30 ym. Die Grabentiefe wurde konstant als 50 ym angenommen. Die

einfallende Lichtwellenlänge beträgt 1400 nm. Im Sinne einer realitätsnahen Berechnung wurde darüber hinaus eine endliche Restdicke d _r des durchgängigen Siliziumsubstrates

(entsprechend Fig. 4c) angenommen. Die Gräben 4 sind

ungefüllt, beinhalten also Luft mit einer Brechzahl von 1.

Fig. 8 stellt die Absorption A der Hauptpixel in Kurve 12 und das gesamte Übersprechen, d.h. die Summe aller

Nebenpixelabsorptionen, in Kurve 13 dar. Um diese zu

ermitteln, wird ausschließlich die oberflächenstrukturierte Teilfläche der Substratrückseite, die dem Hauptpixel exakt gegenüberliegt (ergo eine Fläche von 30 ym x 30 ym) , homogen unter senkrechtem Lichteinfall ausgeleuchtet. Mit diesen Beleuchtungsbedingungen wird dann die Lichtabsorption, die in jenem Hauptpixel auftritt, sowie jegliche weitere

Lichtabsorptionen in anderen Detektorpixeln ermittelt. Die Summe der Letztgenannten entspricht somit letztlich dem gesamten Übersprechen und sollte daher möglichst gering sein, wenn das Halbleiterbauelement z.B. als Bildsensor verwendet werden soll.

Wie der Fig. 8 klar zu entnehmen ist, nimmt das optische Übersprechen (Kurve 13) kontinuierlich mit geringer werdender Restdicke d _r des durchgängigen Siliziumsubstrates ab.

Gleichzeitig steigt wie gewünscht die optische Absorption im Hauptpixel (Kurve 12) an und strebt einem Maximum bei einer verschwindenden Restdicke entgegen. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass die optische Trennwirkung der Gräben 4 nahezu ideal ist. Das Übersprechen hängt letztlich primär von der Restdicke d _r des Siliziumsubstrates (wie in Fig. 4c dargestellt) ab, welche es daher zu minimieren gilt. Weitere optische Simulationen ergaben ein analoges Verhalten für Gräben 4, die von der Substratvorderseite oder

gleichzeitig von beiden Seiten eingeführt werden. Lediglich die Restdicke d _r des Substrats ist für die Reduzierung des optischen Übersprechens entscheidend, nicht aber die konkrete Ausführung (entsprechend den in den Figuren 5, 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispielen) .

Praktisch kann die Umsetzung derart tiefer optischer Gräben 4 in Silizium mittels des sogenannten Reaktiven Ionenätzens, einem weit verbreiteten Trockenätzverfahren in der

Mikrosystemtechnik, erfolgen. Damit können, nach

entsprechender Prozessoptimierung, extrem tiefe und zugleich schmale Gräben geätzt werden. Schmale Gräben sind

insbesondere von Vorteil, da sie einen hohen optischen

Füllfaktor, also eine hohe Flächenbelegung mit optisch aktiven Sensorelementen, ermöglichen. Optisch nicht aktive Totflächen werden so minimiert und die Lichtausbeute des Sensorelements maximiert. Eine beispielhafte experimentelle Umsetzung eines derart tiefen und zugleich schmalen Grabens ist in Fig. 9

dargestellt. Zu sehen ist eine Rasterelektronenmikroskopische Querschnittsaufnahme von ca. 5 ym breiten und etwa 250 ym tiefen Gräben 4, die mit Hilfe eines gepulsten Reaktiven Ionenätzverfahren in Silizium hergestellt wurden.

Zur Füllung der optischen Gräben 4 mit einem

niedrigbrechenden dielektrischen Material kann beispielsweise ein Chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD) oder ein Atomlagenabscheidungsverfahren (ALD) verwendet werden.

Insbesondere CVD-Verfahren zur Herstellung von beispielsweise Siliziumoxid Si0 ₂ , Siliziumnitrid SiN oder

Siliziumoxynitriden SiO _x N _y sind Standard in der

Mikroelektronik und sind dank ihres chemischen

Abscheidungscharakters hervorragend zur konformen

Beschichtung bzw. Auffüllung auch tiefer Gräben geeignet. Hinsichtlich der Beschichtungskonformität sind zudem ALD- Verfahren zur Herstellung relativ niedrigbrechender

Dielektrika wie z.B. S1O ₂ oder Aluminiumoxid AI ₂ O ₃ im

Allgemeinen sogar noch besser geeignet als CVD.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die

Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von

Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den

Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugs zeichenliste

1 Siliziumsubstrat

2 Detektorpixel

3 Oberflächenstruktur

4 optische Gräben

5 Strahlungseintrittsfläche auf Substratrückseite

6 Substratvorderseite

7 Boden der optischen Gräben

8 strahlungsabsorbierende Schicht

9 Strahlung

10 strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement

11 Streulicht

12 Kurve

13 Kurve

14 Strukturelement