AT507925A1 - Resonatorelement und resonator-pixel - Google Patents

Description

1.

Die Erfindung betrifft ein Resonatorelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs

Derartige Resonatorelemente werden insbesondere zur weilenlängen- und polarisationsabhängigen Absorption und Intensitätsmessung elektromagnetischer Strahlung eingesetzt.

Die Erfindung verwendet hierfür schichtartig aufgebaute Resonatorelemente. Als lateral wird im Zusammenhang mit einem schichtartigen Aufbau eine Richtung oder Ausrichtung bezeichnet, welche entlang der Schichten oder parallel zu den Schichten verläuft. Derartige Schichten weisen üblicherweise Schichtdicken auf, die wesentlich kleiner sind als die lateralen Abmessungen der Schichten.

Die maximale laterale Abmessung einer Schicht ist die maximale Entfernung zwischen zwei von dieser Schicht umfassten Raumpunkten. Bei rechteckigen Schichten ist beispielsweise die Diagonale die maximale laterale Abmessung, bei kreisförmigen Schichten ist der Durchmesser die maximale laterale Abmessung.

Aus dem Stand der Technik sind infrarotdetektoren bekannt, die entweder auf einer Wechselwirkung zwischen Photonen und Elektronen im Detektormaterial basieren, also den inneren Photoeffekt ausnutzen oder auf der Erwärmung des Detektors durch Absorption der einfallenden Strahlung basieren, letztere werden auch als thermische Detektoren bezeichnet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, auf möglichst einfache Weise ein Resonatorelement aufzubauen, bei dem die lateralen geometrischen Abmessungen der einzelnen Resonatorelemente diejenige Wellenlänge bestimmen, bei der die einfallenden elektromagnetischen Strahlen vorzugsweise absorbiert werden. Eine Anforderung an die Erfindung ist eine kompakte Bauart und die Möglichkeit, die Resonatoren auf unterschiedliche Wellenlängen und Polarisationen abzustimmen. Die einfallende Strahlung soll Wellenlängen- und polarisationsselektiv dissipiert werden. Ziel ist ferner die Herstellung eines multispektralen und polarisationsselektiven Pixelsensors bzw. Pixelsensorarrays für bildgebende Systeme auf der Basis von Mikrobolometern.

Die Erfindung löst die Aufgabe bei einem Resonatorelement der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche charakterisiert.

Erfindungsgemäß besteht der wesentliche Vorteil, dass bei Vorgabe einer Wellenlänge eine Geometrie eines Resonatorelements bestimmt werden kann, die für diese spezielle vorgegebene Wellenlänge eine optimale Absorptionscharakteristik aufweist. Die Resonatorelemente weisen ein sehr scharfes Absorptionsspektrum auf, haben eine sehr geringe Masse und sind mit Standardmethoden der Halbleitertechnologie herstellbar. Daher eignen sich erfindungsgemäße Resonatorelemente insbesondere zur Herstellung multispektraler Sensorarrays für beliebige bildgebende Systeme auf Basis von Mikrobolometern.

Die Merkmale des Kennzeichens des Anspruch 2 stellen ein polarisationsselektives thermisches Resonatorelement zur Verfügung.

Einen besonders einfachen Aufbau sowie eine einfache Fertigung mittels Halbleitertechnologie bieten Resonatorelemente mit den Merkmalen des Kennzeichens der Ansprüche 3 und/oder 4.

Ein besonders gutes Resonanzverhalten wird bei einem Resonatorelement mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 5 erzielt.

Eine besonders einfach zu realisierende Form der Integration einer Vielzahl von Resonatorelementen zur Erhöhung des Absorptionseffekts bietet ein Resonatorpixel mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 7.

Besonders einfach herzustellen ist ein Resonatorpixel mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 8.

Pixel zur polarisationssensitiven Detektion elektromagnetischer Strahlen werden durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 9 erreicht.

Eine besonders einfache Fertigung und Herstellung von Resonator-Pixeln bzw. Resonatorelementen wird mit den Merkmalen des Kennzeichens der Ansprüche 6 und 10 erzielt.

Zur bildgebenden Erfassung elektromagnetischer Strahlen kann ein Pixelsensor mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 11 eingesetzt werden.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Resonatorelement.

Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Resonatorpixel mit Anschlüssen.

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Resonatorpixel mit Resonatorelementen, die nach derselben vorgegebenen lateralen Richtung P hin ausgerichtet sind.

Fig. 4 zeigt drei auf einem gemeinsamen Resonatorpixel angeordnete

Resonatorelemente sowie die durch die Bestrahlung entstehende Temperaturverteilung im trägernahen bzw. unteren Bereich der Resonatorelemente.

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau eines Pixelsensors umfassend eine Vielzahl von Resonatorelementen.

Fig. 6 zeigt schematisch das Absorptionsverhalten von kreisförmigen Resonatorelementen.

Fig. 7 zeigt schematisch das Absorptionsverhalten von polaritätssensitiven Resonatorelementen.

Fig. 8 zeigt drei auf einem gemeinsamen Resonatorpixel angeordnete

Resonatorelemente mit gemeinsamer erster Metallschicht.

Fig. 9 zeigt eine analoge Ausführungsform mit gemeinsamer dielektrischer Schicht.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Resonatorelements umfassend eine erste leitfähige Metallschicht 11, eine dielektrische Schicht 12 sowie eine zweite Metallschicht 13. Die Höhe eines derartigen Resonatorelements 1, damit auch die Dicke der einzelnen Schichten 11, 12, 13, liegt im Bereich zwischen einigen 10 nm bis zu etwa 10 pm. Die jeweiligen Schichtdicken der beiden Metallschichten 11, 13 liegen dabei im Bereich von 10 nm bis zu 1 pm. Die Schichtdicke der dielektrischen Schicht liegt im Bereich von 25 nm bis zu 10 μην Üblicherweise wird die Dicke der dielektrischen Schicht 12 wesentlich größer, etwa um einen Faktor 2 bis 10 größer, als die jeweiligen Schichtdicke der beiden Metallschichten 11, 13 gewählt.

Das Resonatorelement 1 ist, wie in Fig. 1 dargestellt, über die zweite Metallschicht 13 mit einer Trägerschicht 2 verbunden. Fertigungstechnisch wird dies vorteilhafterweise dadurch erzielt, dass die zweite Metallschicht 13 auf die, insbesondere als Halbleiter ausgebildete, Trägerschicht 2 aufgebracht oder aufgedampft wird. Gemäß Fig. 1 ist in der Trägerschicht 2 ein Temperatursensor 3 ausgebildet bzw. eingebettet, welcher die durch die Absorption der eingestrahiten elektromagnetischen Wellen entstandene Wärme aufnimmt. Durch die Temperaturänderung des Temperatursensors werden dessen elektrische Kenngrößen, insbesondere dessen elektrischer Widerstand verändert. Dieser Widerstand kann somit über elektrische Verbindungsleitungen 52 abgegriffen und einer externen Verarbeitung zugeführt werden.

Alternativ bestehen die Möglichkeiten, dass der Temperatursensor 3 auf der Trägerschicht 2 ausgebildet ist, dass der Temperatursensor 3 in die dielektrische Schicht 12 eingebettet ist oder dass die gesamte Trägerschicht 2 aus temperaturempfindlichem Material besteht und somit als Temperatursensor ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die gesamte Trägerschicht 2 durch einen temperatursensitiven Halbleiter gebildet ist.

Mittels relativ einfacher Produktionsprozesse ist die Integration einer Vielzahl von Resonatorelementen 1 auf der Trägerschicht 2 möglich.

Fig. 4 zeigt schematisch die Temperaturverteilung im Bereich der Trägerschicht 2 eines Resonatorpixels 5 umfassend eine Vielzahl von Resonatorelementen 1. Durch die Einstrahlung elektromagnetischer Wellen auf die einzelnen Resonatorelemente 1 bilden sich im Bereich unter den einzelnen Resonatorelementen 1 Bereiche mit erhöhter Temperatur aus. Am größten ist die Temperaturerhöhung unmittelbar unterhalb bzw. im Zentrum der Resonatorelemente 1. In Fig. 4 ist schematisch die Temperaturverteilung im Bereich der Trägerschicht 2 mittels ISO-Temperaturlinien dargestellt. Die größte dargestellte Temperatur Ti wird unmittelbar unterhalb der Resonatorelemente 1 erreicht.

Im unteren Bereich der Trägerschicht 2 ist die Temperatur geringer und erreicht beispielsweise den Wert T3.

Die lateralen Abmessungen des Resonatorelements 1, insbesondere die lateralen Abmessungen der ersten Metallschicht 11, bestimmen wesentlich die Absorptionscharakteristik des Resonatorelements 1. Wird beispielsweise ein kreisförmiger Umfang der ersten Metallschicht bzw. des gesamten Resonatorelements 1 gewählt, so entspricht die maximale laterale Abmessung dem Durchmesser der ersten Metallschicht 11 bzw. des gesamten Resonatorelements 1. Üblicherweise werden die Resonatorelemente zylindrisch oder prismenförmig aufgebaut, das heißt, dass der Schichtquerschnitt der ersten Metallschicht 11, der zweiten Metallschicht 13 sowie der dielektrischen Schicht 12 annähernd gleich in Form und Größe sind. Fertigungsbedingt sind jedoch stets Abweichungen von der idealen Zylinder· oder Prismenform zu erwarten, insbesondere nehmen die einzelnen Schichten des Resonatorelements 1 in Richtung der zweiten Metallschicht 13 ihrer Größe nach zu.

Die Resonatorelemente 1 werden durch die magnetische Komponente einer von oben einfallenden elektromagnetischen Welle 20 zu Schwingungen angeregt. Durch Ohm’sche oder dielektrische Verluste in den Einzelschichten wird die eingekoppelte Energie in Wärme umgewandelt, was zu einer lokalen Erhöhung der Temperatur führt. Die Absorption der einfallenden Strahlung erfolgt um so effektiver, je näher ihre Frequenz bei der Eigenschwingungsfrequenz des Resonatorelements 1 liegt. Die Absorption der Resonatorelemente 1 ist wellenlängenabhängig und weist ein Maximum bei der Resonanzwellenlänge auf.

Die lateralen Abmessungen der Resonatorelemente 1 sind deutlich kleiner als die Resonanzwellenlänge λ. Bei festgelegtem Schichtaufbau ist die Resonanzfrequenz λ eines solchen Resonatorelements 1 nur von den lateralen Abmessungen abhängig. Dies ist schematisch in Fig. 6 für zylindrische Resonatorelemente 1 zu sehen. Im oberen Teil ist das Absorptionsspektrum eines Resonatorelements 1 des Durchmessers d1 mit maximaler Absorption bei der Wellenlänge λ1 dargestellt. Bei einer Verkleinerung der Durchmessers auf d2 verschiebt sich das Absorptionsmaximum zur kürzeren Wellenlänge λ2.

Durch geeignete Wahl der Form, z.B. rechteckig, elliptisch, linienförmig, ergeben sich unterschiedliche Resonanzfrequenzen entlang unterschiedlicher Raumrichtungen. Auf diese Art kann eine polarisationsabhängige Absorption realisiert werden. Dies ist in Fig. 7 exemplarisch für ein rechteckiges Resonatorelement 1 mit den Seitenlängen bzw. lateralen Abmessungen w1 und w2 dargestellt. Einfallende Strahlung, deren magnetische Komponente B orthogonal zur langen Achse des Rechtecks polarisiert ist, wird bevorzugt bei der Wellenlänge λ1 absorbiert (oben). Licht mit einer um 90° gedrehten Polarisationsrichtung (unten) wird bei dieser Wellenlänge λ1 nicht absorbiert, da die entsprechende Resonanz zu der kürzeren Wellenlänge λ2 verschoben ist.

Vorteilhaft erweisen sich kreisförmige oder quadratische Schichtquerschnitte der beiden Metallschichten 11, 13 zur polarisationsneutralen Aufnahme elektromagnetischer

Strahlungen bzw. rechteckige oder ellipsenförmige Metaiischichten 11, 13 zur polarisationssensitiven Aufnahme von elektromagnetischen Wellen.

Bei derartigen polarisationssensitiven Resonatorelementen 1 ist es besonders vorteilhaft, die Abmessung der ersten Metallschicht 11, insbesondere auch der zweite Metallschicht 13 sowie der dielektrischen Schicht 12, so zu gestalten, dass die Abmessung nach einer ersten lateralen Richtung einem Vielfachen der Abmessung nach einer auf die erste laterale Richtung normal stehenden zweiten lateralen Richtung entspricht. Das Verhältnis dieser beiden Abmessungen kann beispielsweise mit 1:4 bis 1:10 gewählt werden. Somit entspricht die Oberfläche der ersten Metallschicht des Resonatorelements einem Rechteck mit Längenverhältnis von 1:4 bis 1:10 oder einer Ellipse mit einem Hauptachsenverhältnis von 1:4 bis 1:10.

Mit Hilfe von geeigneten Strukturierungsmethoden können durch Aneinanderreihen einer Vielzahl von gleich aufgebauten und gleich ausgerichteten Einzelresonatoren in Form eines Arrays grössere Flächen auf einem Substrat abgedeckt werden. Es können auch Felder erzeugt werden, die bevorzugt bei unterschiedlichen Wellenlängen und/oder Polarisationen absorbieren. Fig. 2 zeigt exemplarisch eine mögliche Anordnung, mit polarisationsunabhängiger Absorption, bei der durch Aneinanderreihen kreisförmiger Resonatorelemente Felder hergestellt werden.

Fig. 3 zeigt eine weitere mögliche Anordnung rechteckiger Resonatorelemente, die zueinander parallel angeordnet sind, wobei alle Resonatorelemente 1 nach derselben vorgegebenen lateralen Richtung P hin ausgerichtet sind.

Von besonderem Vorteil ist die Integration einer Vielzahl von Resonatorpixein 1 in einen Pixelsensor. Ein derartiger Pixelsensor umfasst eine Anzahl von in einem Raster angeordneten Resonatorpixein 5, wobei die einzelnen Resonatorpixel 5 mittels ihrer elektrischen Zuleitung gegenüber einem gemeinsamen Träger 90 beabstandet festgelegt sind und der die Resonatorpixel 5 umgebende Raum evakuiert ist, z.B. durch ein strahlungsdurchlässiges Gehäuse. Ein derartiger Aufbau, der in Fig. 5 schematisch beschrieben ist, verhindert, dass zwei beabstandete Resonatorpixel 5 miteinander wechselwirken oder interagieren, insbesondere durch Wärmeleitung wechselwirken oder interagieren. Somit ist es möglich, auf benachbarten Resonatorpixein 5 unterschiedlich ausgeformte Resonatorelemente 1 aufzubringen und somit elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Wellenlängen oder Polarisationsrichtungen zu detektieren. Aufgrund ihrer geringen Masse sind die beschriebenen Resonatorpixel 5 auch für die Integration in thermisch entkoppelte Detektoren, wie z.B. Mikrobolometer, geeignet.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Pixelsensor umfassend zwei nebeneinander angeordnete Resonatorpixel 5, die über ihre Verbindungsleitungen 52 über die Anschlüsse 51 mit einem gemeinsamen Träger 90 verbunden sind. In diesem Träger 90 ist beispielsweise eine Auswerteschaltung zur Ermittlung der einzelnen von den Resonatorpixein 5 gemessenen Intensitäten integriert.

Fig. 8 zeigt drei Resonatorelemente, bei denen die zweite Metallschicht 13 die erste Metallschicht 11 bzw. die dielektrische Schicht 12 um ein Vielfaches nach beiden ihrer lateralen Richtungen überragt. Es wird somit ein Resonatorpixel 5 geschaffen, bei dem alle Resonatorelemente 1 eine gemeinsame zweite Metallschicht 13 aufweisen.

Fig. 9 zeigt drei Resonatorelemente, bei denen sowohl die zweite Metallschicht 13 als auch die dielektrische Schicht 12 die erste Metallschicht 11 nach beiden ihrer lateralen Richtungen um ein Vielfaches überragt. Es wird somit ein Resonatorpixel 5 geschaffen, bei dem alle Resonatorelemente 1 eine gemeinsame zweite Metallschicht 13 sowie eine gemeinsame dielektrische Schicht 12 aufweisen.

Wesentliche Vorteile der beiden in Fig. 8 und Fig. 9 dargestellten Ausführungsformen eines Resonatorpixels ergeben sich insbesondere durch eine leichtere Strukturierbarkeit bzw. Herstellbarkeit der einzelnen Resonatorelemente bzw. Resonatorpixel.

Je nach Größe und Abmessungen der Resonatorelemente gegenüber den Resonatorpixein kann vorgesehen werden, dass die lateralen Abmessungen der zweiten Metallschicht, gegebenenfalls auch der dielektrischen Schicht 12, die lateralen Abmessungen der ersten Metallschicht 11 um zumindest das Doppelte übersteigen. Als Abmessung wird hierbei insbesondere die maximale laterale Abmessung verstanden.

Claims (11)

1. Patentansprüche 1. Resonatorelement zur Absorption bzw. zur Umwandlung in Wärme von elektromagnetischen Wellen einer vorgegebenen Wellenlänge (λ), insbesondere Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 2pm bis 200pm, gekennzeichnet durch - einen dreischichtigen Aufbau umfassend eine erste Metallschicht (11) und eine zweite Metallschicht (13) sowie eine zwischen den beiden Metallschichten (11, 13) liegende dielektrische Schicht (12), - wobei die maximale laterale Abmessung zumindest der ersten Metallschicht (11), insbesondere aller Schichten (11, 12, 13), im Bereich zwischen einem Viertel und der Hälfte der vorgegebenen Wellenlänge (λ) liegt.
2. 2. Resonatorelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung der ersten Metallschicht (11), insbesondere aller Schichten (11, 12, 13), nach einer ersten lateralen Richtung einem Vielfachen, insbesondere dem Vierfachen bis Zehnfachen, der Abmessung der ersten Metallschicht (11), insbesondere aller Schichten (11, 12, 13), nach einer auf die erste laterale Richtung normal stehenden zweiten lateralen Richtung entspricht.
3. 3. Resonatorelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste Metallschicht (11) die Form eines Kreises oder eines Quadrats aufweist.
4. 4. Resonatorelement gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste Metallschicht (11) die Form einer Ellipse oder eines Rechtecks aufweist.
5. 5. Resonatorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der ersten und der zweiten Metalischicht (11, 13) im Bereich von 10nm bis zu 1pm liegt und/oder dass die Schichtdicke der dielektrischen Schicht (12) im Bereich von 25nm bis 10pm liegt.
6. 6. Resonatorelement gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Metallschicht (13), gegebenenfalls auch die dielektrische Schicht (12), die erste Metallschicht (11) um ein Vielfaches, insbesondere um mehr als das Doppelte, nach beiden ihrer Ausdehnungsrichtungen überragt.
7. 7. Resonator-Pixel gekennzeichnet durch eine Anzahl von Resonatorelementen (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei - die Resonatorelemente (1) auf derselben Seite einer gemeinsamen Trägerschicht (2) aufgebracht sind, und - in oder auf der Trägerschicht (2) ein Temperatursensor (3) eingebettet oder ausgebildet ist oder die Trägerschicht (2) als Temperatursensor (3) ausgebildet ist.
8. 8. Resonator-Pixel gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) mit einem, insbesondere temperatursensitiven, Halbleiter gebildet ist.
9. 9. Resonator-Pixel gemäß Anspruch 7 oder 8 umfassend Resonatorelemente gemäß einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorelemente (1) nach derselben vorgegebenen lateralen Richtung (P) hin ausgerichtet sind.
10. 10. Resonator-Pixel gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 mit Resonatorelementen (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Resonatorelemente (1) eine gemeinsame zweite Metallschicht (13) und gegebenenfalls eine gemeinsame dielektrische Schicht (12) aufweisen.
11. 11. Pixelsensor gekennzeichnet durch eine Anzahl von in einem Raster angeordneten Resonator-Pixeln (5) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die einzelnen Resonator-Pixel (5) mittels ihrer elektrischen Zuleitungen (52) gegenüber einem gemeinsamen Träger (90) beabstandet festgelegt bzw. getragen sind und der die Resonator-Pixel (5) umgebende Raum evakuiert ist. Wien, am 20. Februar 2009