DE3537119A1 - Infrared detector array having an improved area coverage, and method for producing it - Google Patents

Infrared detector array having an improved area coverage, and method for producing it

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Abstract

In an infrared detector array, there is provided in the region of the detector plane for the purpose of achieving improved area coverage a waveguide field optical system which has recesses above each individual detector in order to achieve optical impedance matching to the detector array. The walls of the recesses are bevelled in such a way that they guide the incident infrared radiation onto the individual detectors by normal reflection.

Description

Die Erfindung betrifft ein Infrarot-Detektorarray mit verbesserter Flächendeckung bestehend aus in einem Halbleitermaterial in einer Ebene angeordneten einzelnen Detektoren mit Schaltkreisen. Sie bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Detektorarrays.The invention relates to an infrared detector array improved area coverage consisting of in a semiconductor material individual arranged in a plane Detectors with circuits. It also relates to a method for producing such a detector array.

Die Flächendeckung in monolithisch gefertigten Detektorarrays ist durch die notwendigen Versorgungs- und Signalleitungen der einzelnen Detektoren limitiert. Bei einseitiger Technologie werden ca. 50% Flächenfüllung erreicht. Bei zweiseitiger Technologie sind Flächenfüllungen bis zu 90% möglich. Allerdings ist der Aufwand einer zweiseitigen Technologie erheblich größer als bei Verwendung einseitiger planarer Technologie.The area coverage in monolithically manufactured detector arrays is through the necessary supply and signal lines of the individual detectors limited. With one-sided Technology, approx. 50% area filling is achieved. With two-sided technology, surface fillings are up to 90% possible. However, the effort is bilateral Technology significantly larger than when used unilateral planar technology.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Infrarot- Detektorarray bereitzustellen, bei dem eine optimale Flächendeckung durch einfache Maßnahmen gewährleistet ist.The invention has for its object an infrared Provide detector array in which an optimal Area coverage guaranteed by simple measures is.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich der Detektorebene eine Wellenleiter-Feldoptik vorgesehen ist, die zur optischen Impedanzanpassung an das Detektorarray oberhalb jedes einzelnen Detektors Ausnehmungen aufweist, wobei die Wände der Ausnehmungen derart abgeschrägt sind, daß sie die einfallende Infrarot- Strahlung durch normale Reflexion auf die einzelnen Detektoren leiten. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Detektorarrays sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 erläutert. Patentansprüche 8 bis 12 betreffen die Herstellung eines Infrarot-Detektorarrays gemäß Patentanspruch 6.This object is achieved in that waveguide field optics in the area of the detector plane is provided for optical impedance matching the detector array above each detector Has recesses, the walls of the recesses are so beveled that they Radiation by normal reflection on the individual Conduct detectors. Preferred embodiments of the invention Detector arrays are in the claims  2 to 7 explained. Claims 8 to 12 relate to the  Production of an infrared detector array according to claim 6.

Die verbesserte Flächendeckung wird erfindungsgemäß durch eine Wellenleiter-Feldoptik erzielt, die über der Detektorebene angeordnet und oberhalb jedes Detektors mit Ausnehmungen versehen ist. Die Ausnehmungen werden derart geformt, daß die einfallende Infrarot-Strahlung ohne Verluste durch Reflexion auf die Detektorfläche gerichtet wird.According to the invention, the improved area coverage is achieved by achieved waveguide field optics above the detector level arranged and above each detector with recesses is provided. The recesses become like this shaped that the incident infrared radiation without losses is directed onto the detector surface by reflection.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Wellenleiter-Feldoptik aus [100]-orientierten Silizium. In diesem Fall ist die Anbringung von Ausnehmungen besonders einfach durch einen Ätzprozeß möglich. Die Seitenflächen der einzelnen Ausnehmungen entstehen dabei an [111]-Ebenen des Kristalls. Durch die Anisotropie der Ätzraten in Silizium ergeben sich kristallographisch plane Gleichgewichtsflächen, die die Seitenflächen der Ausnehmungen definieren. Die Form der Ausnehmungen entspricht der eines quadratischen Pyramidenstumpfs. Die Ätzung wird unter Verwendung eine Maske vorgenommen, welche die Öffnungen der Ausnehmungen definiert, die der Grundfläche des Pyramidenstumpfs entsprechen. Die der Deckfläche des Pyramidenstumpfs entsprechende Öffnung der Ausnehmungen ist der Größe der einzelnen Detektoren angepaßt.According to a particularly preferred embodiment the waveguide field optics made of [100] oriented silicon. In this case, the provision of recesses is special easily possible through an etching process. The side faces of the individual recesses are created at [111] levels of the Crystal. Due to the anisotropy of the etching rates in silicon result in crystallographically flat equilibrium areas, that define the side surfaces of the recesses. Form the recesses correspond to that of a square truncated pyramid. The etching is done using a mask made which defines the openings of the recesses, which correspond to the base of the truncated pyramid. The opening corresponding to the top surface of the truncated pyramid the recesses are adapted to the size of the individual detectors.

Bei Verwendung einseitiger Planartechnik und bei diskreter Bauweise von Detektorarrays stellt die Wellenleiter-Feldoptik einen Bauteil für die Detektoranordnung dar. Hierfür wird von einer Siliziumscheibe ausgegangen. Die Dicke der Scheibe richtet sich nach der Größe und dem Abstand der zu beleuchtenden Detektoren. Außerdem ist bei der Aufteilung der Maske die relative Öffnung der beleuchtenden Optik zu berücksichtigen. When using one-sided planar technology and with discrete The construction of detector arrays is provided by the waveguide field optics represents a component for the detector arrangement. For this a silicon wafer is assumed. The thickness of the Disc depends on the size and distance of the illuminating detectors. In addition, the division to the mask the relative opening of the illuminating optics consider.  

Bei einer zweiseitigen Planartechnik werden die Schaltkreise und die Detektoren auf [100]-orientiertem Silizium gefertigt. Anschließend wird von der Detektorseite her das Wellenleiter-Array in die Siliziumscheibe geätzt, in der die Detektoren integriert sind.In the case of two-sided planar technology, the circuits and the detectors on [100] oriented silicon manufactured. Then from the detector side etched the waveguide array into the silicon wafer, in of which the detectors are integrated.

Die Erfindung wird anhand beiliegender Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:The invention is illustrated by the accompanying drawing described. Show it:

Fig. 1 im Querschnitt das erfindungsgemäße Infrarot-Detektorarray mit aufgeklebter Wellenleiter-Feldoptik; Fig. 1 in cross section infrared detector array according to the invention with bonded fiber optic field;

Fig. 2 im Querschnitt die erfindungsgemäße Anordnung als monolithischer Körper; FIG. 2 shows in cross section the arrangement of the invention as a monolithic body;

Fig. 3 die Aufsicht eine Wellenleiter-Feldoptik und Fig. 3 shows the supervision of a waveguide field optics and

Fig. 4 Verhältnisse der Öffnungswinkel und Öffnungsgrößen der Ausnehmungen. Fig. 4 relationships of the opening angle and opening sizes of the recesses.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird auf das, die Detektoren 1, deren Signal- und Steuerleitungen 2 tragende Substrat 3 die erfindungsgemäße Wellenleiter- Feldoptik 4 aufgeklebt. Die Anordnung der einzelnen Ausnehmungen 5 der Wellenleiter-Feldoptik 4 entspricht der Anordnung der Detektoren 1 im Array. Das Infrarot-Detektorarray kann in an sich bekannter Weise in einem Halbleitermaterial, z. B. Silizium, Germanium, Indiumantimonid, Galliumarsenid u. dgl. hergestellt werden. Die Wellenleiter- Anordnung wird vorzugsweise aus [100]-orientierten Siliziumscheibe gefertigt und mit dem Detektorarray, z. B. durch Verkleben, verbunden. In the embodiment shown in FIG. 1, the waveguide field optics 4 according to the invention are glued onto the substrate 3 carrying the detectors 1 , their signal and control lines 2 . The arrangement of the individual recesses 5 of the waveguide field optics 4 corresponds to the arrangement of the detectors 1 in the array. The infrared detector array can in a conventional manner in a semiconductor material, for. As silicon, germanium, indium antimonide, gallium arsenide and. Like. Be produced. The waveguide arrangement is preferably made of [100] -oriented silicon wafer and with the detector array, for. B. connected by gluing.

In Fig. 2 wird eine monolithische Ausführungsform gezeigt, die sich durch eine zweiseitige Planartechnik herstellen läßt. Hierfür werden Detektoren 1 und deren Schaltkreise 2 in an sich bekannter Weise in eine Scheibe 6 aus [100]- orientiertem Silizium integriert. Die Detektoren 1 sind dabei noch von dem [100]-orientiertem Silizium bedeckt. Dann wird von der Detektorseite her unter Verwendung einer Maske photolithographisch die Ausnehmungen 5 eingeätzt. Die Seitenwände der Ausnehmungen 5 sind durch kristallographische Gleichgewichtsflächen definiert. Die Größe der durch die Maske festgelegten Öffnungen werden so gewählt, daß nach dem Ätzen die der Deckfläche des Pyramidenstumpfs entsprechende Öffnung der Größe der einzelnen Detektoren 1 entspricht. Anschließend können auf die Seitenwände der Ausnehmungen 5 eine Schicht aus einem gut reflektierenden Metall, z. B. Gold oder Aluminium, aufgedampft werden.In Fig. 2 a monolithic embodiment is shown, which can be manufactured by a two-sided planar technology. For this purpose, detectors 1 and their circuits 2 are integrated in a disk 6 made of [100] -oriented silicon in a manner known per se. The detectors 1 are still covered by the [100] -oriented silicon. The recesses 5 are then etched from the detector side using a mask using photolithography. The side walls of the recesses 5 are defined by crystallographic equilibrium surfaces. The size of the openings defined by the mask are selected such that, after the etching, the opening corresponding to the top surface of the truncated pyramid corresponds to the size of the individual detectors 1 . 5, a layer can then be made of a highly reflective metal, e.g. on the side walls of the recesses. As gold or aluminum, are evaporated.

Fig. 3 zeigt die Aufsicht auf die erfindungsgemäße Wellenleiter- Feldoptik 4. Die inneren Quadrate 7 sind die der Deckfläche des Pyramidenstumpfs entsprechenden Öffnungen der Ausnehmungen 5. Die größeren Quadrate 8 sind Lichteintrittsöffnungen, die durch die Maske bei der Herstellung definiert werden und der Grundfläche des Pyramidenstumpfs entsprechen. Als Formen sind Rechtecke mit parallel ausgerichteten Kanten in nahezu beliebigen Größen möglich. Die Seitenflächen der Ausnehmungen 5 sind bei [100]-orientiertem Silizium 35,4° gegen die Achse geneigt. Die Streifen 9 zwischen den größeren Quadraten 8 ergeben sich aus den Abdeckmasken für den Ätzprozess. Sie können in einer abschließenden isotrop wirkenden Ätzung durch Unterätzen zu einer Spitze reduziert werden. Fig. 3 shows the plan view of the inventive waveguide array optics 4. The inner squares 7 are the openings of the recesses 5 corresponding to the top surface of the truncated pyramid. The larger squares 8 are light entry openings which are defined by the mask during manufacture and correspond to the base of the truncated pyramid. Rectangles with parallel edges in almost any size are possible as shapes. The side surfaces of the recesses 5 are inclined at 35.4 ° relative to the axis in the case of [100] -oriented silicon. The strips 9 between the larger squares 8 result from the masking for the etching process. They can be reduced to a tip in a final isotropic etching by under-etching.

Fig. 4 zeigt die in Fig. 3 dargestellte Anordnung im Querschnitt. Die Kantenlänge L F der Öffnung, die der Grundfläche des Pyramidenstumpfs entspricht, hängt mit der Kantenlänge L D des Detektors über die Dicke der Kristallscheibe (d) direkt zusammen nach Fig. 4 shows the arrangement shown in Fig. 3 in cross section. The edge length L F of the opening, which corresponds to the base of the truncated pyramid, depends directly on the edge length L D of the detector over the thickness of the crystal disk ( d )

L F = L D + 2 d·tan (35,4°). L F D = L + d 2 · tan (35.4 °).

Die Verbesserung des Flächenfüllfaktors der Arrays ist durch die Dicke (d) der Kristallscheibe bestimmt. Die Vergrößerung der Flächenfüllung ergibt sich nachThe improvement in the area filling factor of the arrays is determined by the thickness ( d ) of the crystal wafer. The enlargement of the area filling follows

A D /A F = 1/4 d 2 tan2 (35,4°), A D / A F = 1/4 d 2 tan 2 (35.4 °),

wobei A D die Detektorfläche und A F Lichteintrittsfläche der Ausnehmungen, d. h. er Lichtleiter.where A D is the detector area and A F is the light entry area of the recesses, ie the light guide.

Die Verbesserung des Flächenfüllfaktors führt zu einer Erhöhung der empfangenen Strahlungsleistung. Die absolute Steigerung der Empfindlichkeit ist bei den vorgesehenen Detektorarrays auch von der Öffnung der beleuchtenden Optik abhängig.The improvement in the area fill factor leads to a Increase in radiation power received. The absolute Increase in sensitivity is provided for Detector arrays also from the opening of the illuminating Optics dependent.

Claims (12)

1. Infrarot-Detektorarray mit verbesserter Flächendeckung bestehend aus in einem Halbleitermaterial in einer Ebene angeordneten einzelnen Detektoren mit Schaltkreisen, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Detektorebene eine Wellenleiter-Feldoptik (4) vorgesehen ist, die zur optischen Impedanzanpassung an das Detektorarray oberhalb jedes einzelnen Detektors (1) Ausnehmungen (5) aufweist, wobei die Wände der Ausnehmungen (5) derart abgeschrägt sind, daß sie die einfallende Infrarot-Strahlung durch normale Reflexion auf die einzelnen Detektoren (1) leiten.1. Infrared detector array with improved area coverage consisting of individual detectors with circuits arranged in a plane in a semiconductor material, characterized in that in the area of the detector level a waveguide field optics ( 4 ) is provided, which for optical impedance matching to the detector array above each one Detector ( 1 ) has recesses ( 5 ), the walls of the recesses ( 5 ) being chamfered in such a way that they guide the incident infrared radiation through normal reflection onto the individual detectors ( 1 ). 2. Detektorarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter-Feldoptik (4) in Form einer Scheibe ausgebildet und in der Detektorebene mit dem Detektorarray (1, 2, 3) verbunden ist.2. Detector array according to claim 1, characterized in that the waveguide field optics ( 4 ) is in the form of a disc and is connected in the detector plane with the detector array ( 1, 2, 3 ). 3. Detektorarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter-Feldoptik (4) aus dem Halbleitermaterial des Detektorarrays (1, 2, 3) besteht und mit diesem einen monolithischen Körper bildet.3. Detector array according to claim 1, characterized in that the waveguide field optics ( 4 ) consists of the semiconductor material of the detector array ( 1, 2, 3 ) and forms a monolithic body with this. 4. Detektorarray nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (5) der Wellenleiter-Feldoptik (4) in Form eines Pyramidenstumpfs, vorzugsweise eines Pyramidenstumpfs mit quadratischer Grundfläche, ausgebildet sind, wobei die Größe der Öffnungen (7) der Ausnehmungen (5), die der Deckfläche des Pyramidenstumpfs entsprechen, der Größe der einzelnen Detektoren (1) angepaßt ist.4. Detector array according to one of claims 1 to 3, characterized in that the recesses ( 5 ) of the waveguide field optics ( 4 ) are designed in the form of a truncated pyramid, preferably a truncated pyramid, the size of the openings ( 7 ) the recesses ( 5 ), which correspond to the top surface of the truncated pyramid, are adapted to the size of the individual detectors ( 1 ). 5. Detektorarray nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Größe der Öffnungen (8) der Ausnehmungen (5), die der Grundfläche des Pyramidenstumpfs entsprechen, zu der Fläche der einzelnen Detektoren (1) maximal 1 : 4 beträgt.5. Detector array according to claim 4, characterized in that the ratio of the size of the openings ( 8 ) of the recesses ( 5 ), which correspond to the base of the truncated pyramid, to the area of the individual detectors ( 1 ) is a maximum of 1: 4. 6. Detektorarray nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter-Feldoptik (4) aus [100]-orientiertem Silizium besteht, in das die Ausnehmungen (5) durch Ätzen eingebracht sind.6. Detector array according to one of claims 1 to 5, characterized in that the waveguide field optics ( 4 ) consists of [100] -oriented silicon, into which the recesses ( 5 ) are made by etching. 7. Detektorarray nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Ausnehmungen (5) der Wellenleiter-Feldoptik (4) mit einem reflektierenden Material, vorzugsweise Gold oder Aluminium, beschichtet sind.7. Detector array according to one of claims 1 to 6, characterized in that the walls of the recesses ( 5 ) of the waveguide field optics ( 4 ) are coated with a reflective material, preferably gold or aluminum. 8. Verfahren zur Herstellung des Infrarot-Detektorarrays nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Scheibe aus [100]-orientiertem Silizium unter Verwendung einer Maske photolithographisch Ausnehmungen in Form eines quadratischen Pyramidenstumpfs eingeätzt werden, deren Anzahl der Anzahl der Detektoren im Array entspricht und deren Seitenwände durch kristallographisch definierte Gleichgewichtsflächen bestimmt sind, und daß die Maske die Öffnungen der Ausnehmungen festlegt, die der Grundfläche des Pyramidenstumpfs entsprechen, und daß die mit Ausnehmungen versehene Scheibe mit dem, in an sich bekannter Weise gefertigten Infrarot-Detektorarray derart verbunden wird, daß die Öffnungen der Ausnehmungen, die der Deckfläche des Pyramidenstumpfs entsprechen, auf die einzelnen Detektoren zu Liegen kommen.8. Method of making the infrared detector array according to claim 6, characterized in that in a [100] oriented silicon wafer using a mask photolithographically recesses in Etched in the shape of a square truncated pyramid the number of detectors in the array  corresponds and whose side walls by crystallographic defined equilibrium areas are determined, and that the mask defines the openings of the recesses, which correspond to the base of the truncated pyramid, and that the recessed Disc with the, manufactured in a conventional manner Infrared detector array is connected in such a way that the openings of the recesses, that of the top surface of the truncated pyramid correspond to the individual Detectors come to rest. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Siliziumscheibe und die Größe der Öffnungen der Maske derart abgestimmt werden, daß die nach dem Ätzen entstehenden Ausnehmungen eine der Deckfläche des Pyramidenstumpfs entsprechende Öffnung aufweisen, die der Größe der einzelnen Detektoren angepaßt ist.9. The method according to claim 8, characterized in that the thickness of the silicon wafer and the size of the Openings of the mask are adjusted so that the recesses formed after the etching one of the Opening corresponding to the top surface of the truncated pyramid have the size of the individual detectors adapted is. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen erst in Form von Pyramiden eingeätzt werden und die Scheibe anschließend rückseitig derart abgetragen wird, daß Ausnehmungen in Form eines Pyramidenstumpfs entstehen, wobei die Öffnung der Ausnehmungen, die der Deckfläche des Pyramidenstumpfs entspricht, der Größe der einzelnen Detektoren angepaßt ist.10. The method according to claim 8, characterized in that the recesses are first etched in the form of pyramids and then the disc on the back like this is removed that recesses in the form of a truncated pyramid arise, the opening of the recesses, that of the top surface of the truncated pyramid corresponds to the size of the individual detectors is. 11. Verfahren zur Herstellung des IR-Detektorarrays nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Detektoren und deren Schaltkreise in an sich bekannter Weise in eine Scheibe aus [100]-orientiertem Silizium derart integriert werden, daß die Detektoren noch von [100]-orientiertem Silizium bedeckt sind, und daß von der Detektorseite her unter Verwendung einer Maske photolitographisch Ausnehmungen in Form eines quadratischen Pyramidenstumpfs eingeätzt werden, deren Anzahl der Anzahl der Detektoren im Array entspricht und deren Seitenwände durch kristallographisch definierte Gleichgewichtsflächen bestimmt sind, und daß die Maske die Öffnungen der Ausnehmungen festlegt, die der Grundfläche des Pyramidenstumpfs entsprechen, und daß die Dicke des [100]-orientierten Siliziums über der Detektorebene und die Größe der durch die Maske festgelegten Öffnungen derart gewählt werden, daß nach dem Ätzen die der Deckfläche des Pyramidenstumpfs entsprechende Öffnung der Größe der einzelnen Detektoren angepaßt ist.11. The method for producing the IR detector array according to Claim 6, characterized in that the individual Detectors and their circuits in known per se In a disk made of [100] oriented silicon be integrated in such a way that the detectors are still of [100] oriented silicon are covered, and that of  the detector side using a mask photolithographic recesses in the form of a square Truncated pyramids are etched, their Number corresponds to the number of detectors in the array and whose side walls are defined by crystallographically Equilibrium areas are determined, and that the Mask defines the openings of the recesses that the Base area of the truncated pyramid correspond, and that the thickness of the [100] oriented silicon over the Detector level and the size defined by the mask Openings are chosen so that after Etch that corresponding to the top surface of the truncated pyramid Opening adapted to the size of the individual detectors is. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Ausnehmungen mit einem reflektierenden Material, vorzugsweise Gold oder Aluminium, vorzugsweise durch Aufdampfen, beschichtet werden.12. The method according to any one of claims 8 to 11, characterized characterized in that the walls of the recesses with a reflective material, preferably gold or aluminum, preferably by vapor deposition will.
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