WO1997046908A1 - Interferenzfilter auf der basis von porösem silicium - Google Patents

Interferenzfilter auf der basis von porösem silicium Download PDF

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Markus THÖNISSEN
Michael Krüger
Rüdiger ARENS-FISCHER
Hans LÜTH
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    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1334—Constructional arrangements; Manufacturing methods based on polymer dispersed liquid crystals, e.g. microencapsulated liquid crystals

Definitions

  • the invention relates to an interference filter or a component with an interference filter function based on porous material, in particular silicon, according to the preamble of claim 1.
  • interference filters with the desired reflection or transmission properties can be produced, as from MG Berger et al. , in Optical interference coatings, Florin Abeles ed., Proc. SPIE 2253, 865 (1994).
  • a so-called Bragg reflector was produced, which on the one hand has a very high reflectivity for certain colors in the visible spectral range and on the other hand practically does not reflect other colors.
  • a disadvantage of the known components with interference filter function is that this function is determined by the manufacturing constraints.
  • the pores in the PS are filled with a substance which can change its refractive index under the influence of an electric field.
  • liquid crystals are preferably considered as a suitable material, which have birefringent properties and whose refractive index can be changed or adjusted by reorienting the molecular chains in an electric field.
  • a computer chip in particular as an interference filter, can be formed, for example, which consists of an arrangement, in particular of a matrix, of a plurality of reflection filters, preferably for the three primary colors red, green and
  • a projection display for example for imaging devices, such as e.g. a monitor or TV set.
  • porous silicon consists of a spongy structure of silicon crystallites, which is pervaded by pores.
  • the PS appears to the light as a homogeneous material ("effective medium") and its properties are described by the specification of an effective refractive index, which is one of the refractive indices of the silicon Crystallites and the volume fraction of the pores (porosity) depends.
  • the pores of the PS are filled with a substance which changes its refractive index through the application of an electrical voltage or under the influence of an electrical field (for example liquid crystals).
  • an electrical field for example liquid crystals.
  • the change in the refractive index of the substance under the influence of an electric field can take place both continuously and abruptly. It is also possible that, as in the case of liquid crystals, the refractive index can only be determined for certain by the alignment of molecular chains Propagation of the light changes
  • the rest of the invention is not limited to PS as a material with pores. Rather, other porous materials are also conceivable, which are filled with suitable material.
  • Fig. 1 inventive component with a
  • Fig. 4 several interference filters according to the invention to form a reflection display
  • FIG. 1 The filter structure according to the invention is shown in FIG. 1
  • a layer sequence with successive layers is produced.
  • An anti-reflection layer is formed on a substrate.
  • the layer system made of PS which can be controlled with the applied electrical voltage and has different porosity in the individual layers.
  • the number of PS layers can be chosen to be more or less large, for example 60.
  • the electrically generated change in the refractive index of the substance causes a more or less strong change in the effective refractive index of the porous, depending on its respective volume fraction (ie porosity) Layer.
  • a special choice of the refractive indices of the porous silicon skeleton and the substance filled into the pores is appropriate.
  • the refractive index n of the silicon skeleton can be changed, for example by oxidation.
  • the end result can then be a layer system made of porous glass (Si0 2 ).
  • the refractive index of the filled substance corresponds to that of the silicon or SiO 2 crystallites at at least one specific voltage (eg when voltage is applied)
  • the effective refractive index of a layer is no longer dependent on the volume fraction of the substance.
  • the layer system loses its filtering effect since each individual layer now has the same refractive index.
  • the course of the refractive index over the layer depth for such a case is shown in FIG.
  • the dashed curve represents the case of applied voltage.
  • the reflection spectrum shown above in FIG. 3 then results for the values assumed in the example in FIG. It has a low reflectivity over the entire spectral range shown.
  • the low oscillations are caused by interference across the entire sample thickness.
  • the refractive index of the substance in the pores changes to large values and deviates from that of the silicon or Si0 2 crystallites. Due to the different volume proportions of the substance in porous layers with different porosity, there is an overall greater change in the refractive index for those layers with high porosity. The course of the refractive index over the depth of the layer which results in the stress-free case consequently leads to the further reflection spectrum shown in the lower part of FIG. A very high reflectivity results for a certain wavelength, which is predetermined, for example, by the choice of the core formation parameters of the layer system.
  • the tension-free r-nil shows a green color impression of the layer system when the layer system appears black when the voltage is applied.
  • Such electrically changeable interference filters can be used, for example, in m reflection displays or also for color-selective detectors with high spectral sensitivity.
  • the structure of a reflection display is shown schematically in FIG. 4, which results, for example, by assembling a plurality of interference filter functions in a matrix shape on a single substrate:
  • White light is given to the electrically variable interference filters.
  • the individual filters according to the invention can be controlled separately or together, so that em is formed on the projection screen from the sum of the individual reflections
  • Point of light m of the desired color is displayed.
  • a matrix of such filter layers thus forms a reflection display, which can display colored images on the projection screen.
  • the color can be changed or adjusted in this way and the desired pixel can thus be obtained.
  • an overall image to be formed from many such pixels, such as a screen with reflection can be obtained.
  • porous SiGe or GaAs or other materials are also conceivable for forming the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit wenigstens einer Schicht oder einem Schichtsystem aus porösem Material, insbesondere Silicium oder Siliciumoxid. Wenigstens ein Teil der Poren oder alle Poren des porösen Materials sind mit einer Substanz aufgefüllt, deren Brechungsindex durch einen äußeren Einfluß veränderbar ist. Vorteilhafterweise kann der Brechungsindex der Substanz durch eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom veränderbar oder einstellbar sein.

Description

B e s c h r e i b u n g
Interferenzfilter auf der Basis von porösem Silicium
Die Erfindung betrifft ein Interferenzfilter oder ein Bauelement mit Interferenzfilterfunktion auf der Basis von porösem Material, insbesondere Silicium gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Als Stand der Technik ist aus M.G. Berger et al . , Mat. Res. Soc. Symp. Proc . 358, 327 (1995) oder DE-OS 43 19 413.3-33 die Eignung des porösen Siliciums (PS) be- kannt, Schichtsysteme mit nahezu beliebigem Aufbau durch einen elektrochemischen Prozeß zur Realisierung von Interferenzfiltern herzustellen. Mit Hilfe derarti¬ ger Interferenzfilter lassen sich sowohl Reflexions- als auch Transmissionfilter für Lichtwellenlängen im gesamten sichtbaren, aber auch infraroten oder ultra¬ violetten Spektralbereich herstellen. Dabei ist es mög¬ lich, poröses Silicium nicht nur großflächig, sondern mit Hilfe der aus der Halbleitertechnik bekannten Pho¬ tolithographie auch auf lateralen Dimension von wenigen Mikrometern herzustellen, sodaß auf vergleichsweise kleiner Fläche unterschiedliche Interferenzfilter ge¬ bildet werden. Bei geeigneter Wahl der Herstellungsparameter lassen sich Interferenzfilter mit erwünschter Reflexions- oder Transmissionseigenschaft herstellen, wie aus M.G. Ber- ger et al. , in Optical interference coatings , Florin Abeles ed., Proc. SPIE 2253, 865 (1994) bekannt. Es wurde z.B. ein sogenannter Bragg-Reflektor hergestellt, der einerseits für bestimmte Farben im sichtbaren Spek¬ tralbereich ein sehr hohes Reflexionsvermögen aufweist, andererseits andere Farben praktisch nicht reflektiert werden.
Nachteilig bei den bekannten Bauelementen mit Interfe¬ renzfilterfunktion iεt die Festlegung dieser Funktion durch die Herstellungsrandbedingungen.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein Bauelement mit Interferenzfilterfunktion auf der Basis eines porösen Materials insbesondere Siliciums zu schaffen, deren Re- flexions- und / oder Transmissionseigenschaft auch nach Herstellung des Bauelements gezielt einstellbar oder veränderbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauelement mit Inter- ferenzfilterfunktion gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den auf diesen An¬ spruch rückbezogenen Unteransprüchen. Es wurde erkannt, die Poren des PS mit geeignetem Mate¬ rial aufzufüllen und durch Anlegen einer elektrischen Spannung an dieses Material gezielt die Reflektions und / oder Transmissionseigenschaften einstellbar veränder- bar auszubilden.
Im einzelnen erfolgt das Auffüllen der Poren im PS mit einer Substanz, die unter dem Einfluß eines elektri¬ schen Feldes ihren Brechungsindex verändern kann. Hier- bei kommen vorzugsweise Flüssigkristalle als geeignetes Material in Betracht, die doppelbrechende Eigenschaften besitzen und deren Brechungsindex durch Umorientierung der Molekülketten in einem elektrischen Feld veränder- oder einstellbar ist .
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Bauelements, insbeson¬ dere als Interferenzfilter, kann zum Beispiel ein Com¬ puterchip gebildet werden, der aus einer insbesondere matrixförmigen Anordnung mehrerer Reflexionsfilter, vorzugsweise für die drei Grundfarben Rot, Grün und
Blau, besteht. Dabei können diese jeweils einzeln akti¬ vierbar ausgebildet sein. Mit Hilfe eines solchen Chips kann ein Projektionsdisplay, beispielsweise für bildge¬ bende Geräte, wie z.B. ein Monitor oder TV-Gerät, ge- bildet werden.
Im einzelnen besteht poröses Silicium aus einem schwam¬ martigen Gerüst von Silicium-Kristalliten, welches von Poren durchzogen ist. Die Größe der Kristallite und der Poren variiert je nach Dotierung des Ausgangssubstrats im Bereich von vorzugsweise 2 Nanometer bis 2 Mikrome¬ ter.
Falls die Wellenlänge des Lichtes sehr viel größer als die Strukturen im PS ist, erscheint das PS für das Licht als homogenes Material („effektives Medium") und seine Eigenschaften werden durch die Angabe eines ef¬ fektiven Brechungsindexes beschrieben, welcher von den Brechungsindizes der Silicium-Kristallite und dem Volu¬ menanteil der Poren (Porosität) abhängt.
Wird bei dem elektrochemischen Ätzprozeß nicht nur eine Schicht mit einer bestimmten Porosität hergestellt, sondern stattdessen ein Schichtsystem, welches aus ei¬ ner Abfolge einzelner Schichten mit unterschiedlicher Porosität besteht, so werden durch die unterschiedli¬ chen effektiven Brechungsindizes der Einzelschichten Interferenzei i ekr•.• im Schichtsystem hervorgerufen. Auf diese Weise lα5Ji>_ιι sich z.B. Filter herstellen, die, wenn sie mit ein*.-: weißen Lichtquelle beleuchtet wer¬ den, nur eine Wellenlänge, d.h. Farbe reflektieren. Nach der Herstellung des Schichsystems ist diese Farbe nicht mehr veränderlich.
Es wurde nun erkannt, die Poren des PS mit einer Sub¬ stanz aufzufüllen, die ihren Brechungsindex durch das Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. unter dem Ein¬ fluß eines elektrischen Feldes verändert (z.B. Flüssig- kristalle) . Die Änderung des Brechungsindexes der Sub¬ stanz unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes kann dabei sowohl kontinuierlich als auch sprungweise erfol¬ gen Ebenso ist es möglich, daß sich - wie im Falle von Flussigkristallen - der Brechungsindex durch die Aus¬ richtung von Molekulketten nur für bestimmte Ausbrei- tungsπchtungen des Lichtes ändert
Irr übrigen beschrankt sich die Erfindung nicht auf PS als porenbehaftetes Material. Es sind vielmehr auch an¬ dere porenbehaftete Materiale vorstellbar, die mit ge¬ eignetem Material aufgefüllt werden.
Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausfuhrungsbeispiel naher erläutert Es zeigt
Fig 1 erfindungsgemäßes Bauelement mit einer eine
Interferenzfllterfunktion aufweisenden Schich- tenfolge;
Fig 2 Tiefenabhängigkeit des Brechungsindexes n für eine Schichtenfolge gemäß Figur 1 mit und ohne angelegter Spannung; Fig 3 Wellenzahlabhangigkeit der Reflektivitat der erfmdungsgemaßen die Filterstruktur bildende Schichtenfolge;
Fig. 4 mehrere erfindungsgemäße Interferenzfllter zur Bildung eines Reflektionsdisplays
Ausfuhrungsbeispiel
In der Figur 1 ist die erfindungsgemäße Filterstruktur dargestellt
Im einzelnen ist dazu einen Schichtenfolge mit aufein¬ anderfolgenden Schichten hergestellt. Auf einem Substrat ist eine Anti-Reflexionsschicht gebildet Dar- auf findet sich das mit angelegter elektrischer Span¬ nung steuerbare Schichtensystem aus PS mit unterschied¬ licher Porosität m den einzelnen Schichten. Die Zahl der PS-Schichten kann mehr oder weniger groß gewählt werden zum Beispiel 60.
Die elektrisch erzeugte Änderung des Brechungsindexes der Substanz bewirkt je nach deren jeweiligem Volumen- anteil (d.h. Porosität) eine mehr oder weniger starke Änderung des effektiven Brechungsmdexes der porösen Schicht. Um eine möglichst große Änderung des Refle¬ xions- bzw. Transmissionsvermögens des gesamten Schichtsystems zu erreichen, bietet sich eine spezielle Wahl der Brechungindizes vom porösen Silicium-Skelett und der in die Poren eingefüllten Substanz an.
Hierzu ist festzuhalten, daß der Brechungsindex n des Silicium-Skeletts z.B. durch eine Oxidation veränderbar ist . Das Endergebnis kann dann ein Schichtsystem aus porösem Glas (Si02) sein.
Entspricht der Brechungsindex der eingefüllten Substanz bei wenigstens einer bestimmten Spannung (z.B. bei an¬ gelegter Spannung) demjenigen der Silicium- oder Si02- Kristallite, so ist der effektive Brechungsindex einer Schicht nicht mehr von dem Volumenanteil der Substanz anhängig. Folglich verliert das Schichtsystem seine filternde Wirkung, da nun jede Einzelschicht denselben Brechungsindex aufweist.
In der Figur 2 ist der Verlauf des Brechungindexes über die Schichttiefe für einen solchen Fall eingezeichnet. Dabei stellt der gestrichelter Verlauf den Fall ange¬ legter Spannung dar.
Für die in dem Beispiel von Figur 2 angenommenen Werte ergibt sich dann das oben in Figur 3 dargestellte Re¬ flexionsspektrum. Es weist eine über den gesamten dar¬ gestellten Spektralbereich niedrige Reflektivität auf. Die geringen Oszillationen werden durch Interferenzen über die gesamte Probendicke verursacht .
Im spannungslosen Fall, dargestellt durch die durchge- zogene Linie m Figur 2, ändert sich der Brechungsindex der in den Poren befindlichen Substanz zu großen Werten hin und weicht von demjenigen der Silicium- bzw. Sι02- Kristallite ab. Durch die unterschiedlichen Volumenan¬ teile der Substanz in porösen Schichten mit unter- schiedlicher Porosität ergibt sich insgesamt eine stär¬ kere Änderung des Brechungsindexes für diejenigen Schichten mit hoher Porosität. Der sich im spannungslo¬ sen Fall ergebende Verlauf des Brechungsindexes über die Schichttiefe führt demzufolge zu dem im unteren Teil von Figur 3 gezeigten weiteren Reflexionsspektrum. Für eine bestimmte Wellenlänge, die zum Beispiel durch die Wahl der Kerstellungsparameter des Schichtsystems vorgegeben ist, ergibt sich eine sehr hohe Reflektivi- tät .
In dem hier g•_:••-, :ιcn Beispiel zeigt sich daher im spannungslosen r-nil ein grüner Farbeindruck des Schichtsystems, war.rend bei angelegter Spannung das Schichtsystem schwarz erscheint. Derart elektrisch ver- änderliche Interferenzfilter können z.B. m Reflexions¬ displays oder auch für farbselektive Detektoren mit ho¬ her spektraler Empfindlichkeit zum Einsatz kommen. In der Figur 4 ist der Aufbau eines Reflektionsdiεplays schematisch dargestellt, welches beispielsweise durch Zusammenbau mehrerer Interferenzfilterfunktionen m Ma¬ trixform auf einem einzelnen Substrat ergibt :
Weisses Licht wird auf die elektrisch veränderlichen Interferenzfllter gegeben. Wahlweise können die einzel¬ nen erfmdungsgemaßen Filter getrennt oder zusammen an gesteuert werden, so daß auf dem Projektionsschirm em aus dei Summe der einzelnen Reflexionen gebildeter
Lichtpunkt m der gewünschten Farbe dargestellt wird. Eine Matrix von solchen Filterschichten bilden somit em Reflexionsdisplay, welches farbige Bilder auf dem Projektionsschirm darstellen kann. Durch Ansteuerung der bildgebenden Reflektionspunkte kann auf diese Weise die Farbe verändert oder eingestellt und somit der er¬ wünschte Bildpunkt erhalten werden. Auf diese Weise kann em aus vielen solchen Bilpunkten zu bildendes Ge¬ samtbild wie zum Beispiel em Bildschirm m Reflektion erhalten werden.
Außer PS sind zum Beispiel auch poröses SiGe oder GaAs oder andere Materialen zur Ausbildung der Erfindung vorstellbar.

Claims

Patentansprüche
] . Bauelement mit wenigstens einer SchichL oder einem Schichtsystem aus porösem Material , insbesondere Silicium oder Silj ciumoxic, dadurch gekennze i chne t. , daß wenigstens ein Tej1 der Poren oder alle Poren des porösen Materials mi; einer Substanz aufgefüllt sind, deren Brechungsindex durch einen äußeren Einfluß veränderbar ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennze ichnet , daß der Brechungsindex der Substanz durch eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom veränderbar oder einstellbar ist .
3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet , daß der Brechungsindex der Substanz durch eine Temperaturänderung veränderbar ist. Bauelement mit einer Mehrzahl von
Interferenzfiltern als Bauelement nach Anspruch 1 2 oder 3.
5. Matrixanordnung, insbesondere auf einem einzigen Substrat mit einer Mehrzahl von Bauelementen nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche zur Bildung eines Reflektionsdisplays .
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