专利名称：检测器装置和检测器部件的制作方法
检测器装置和检测器部件本发明涉及一种带有检测器芯片的检测器装置以及一种带有这种检 测器装置的检测器部件。本发明的任务是，提出一种可以简化地以减小的位置需求、特别是以 减小的安装面积来实现的检测器装置。此外，还将提出一种具有小的位置 需求、特别是小的安装面积的检测器部件。根据本发明，该任务通过具有权利要求1所述特征的检测器装置以及具有权利要求20所述特征的检测器部件来解决。本发明的有利的改进方 案和扩展方案^i从属权利要求的主题。根据本发明的检测器装置包括光电子检测器芯片，特别是基于半导体 的检测器芯片。此外，检测器装置优选包含特别的微电子半导体芯片。此 夕卜检测器芯片优选被设置在半导体芯片上。特别优选的是，检测器芯片 与半导体芯片相连。检测器芯片优选构建为用于检测入射到检测器芯片上的、特别是可见 辐射的辐射检测器芯片，其中该辐射可以在检测器芯片中生成检测器信 号。半导体芯片优选被构建为用于处理在检测器芯片中所生成的检测器信 号，例如用于放大该信号。在一种特别的实施形式中，检测器装置包括微电子半导体芯片以及特 别的光电子检测器芯片，其中检测器芯片被设置在半导体芯片上。通过将检测器芯片设置在微电子半导体芯片上，与将两个芯片并排地 设置并且彼此横向间隔地设置在例如支承元件上相比，有利地减小了检测 器装置在横向方向上的位置需求。与间隔的设置相比，可以减小将两个芯 片安装在支承元件上所需的面积。此夕卜，可以通过将两个芯片彼此相对接近并且彼此重叠地设置，来实 现在有利地短的路径上的导电连接，其中该连"^选构建在检测器芯片和 半导体芯片之间。由此，在检测器芯片中所生成的信号可以在有利地短的 路径上被输送给半导体芯片用于处理。为此目的可以舍弃长的、例如长度 为数百微米的掩^线。在检测器芯片和半导体芯片之间的较长的导电连接段增大了在将检 测器芯片中所生成的信号输送给半导体芯片期间该信号受到电磁干扰的 危险。由此，降低了如下危险，即将已经明显受到干扰的信号输送给半导 体芯片用于进行处理、并且由此可在半导体芯片的输出端检测到的半导体 芯片的输出信号受到干扰。其中该半导体芯片优选具有该输出端。特别有意义的是，半导体芯片实施为放大器，优选为具有集成到半导 体芯片中的、例如对救故大器电路的放大器。在检测器芯片中所生成的信号通常比较小，例如光电流在纳安(nA)的量级，使得通常要求将该信 号进行放大，以继续使用检测器信号。但如果已经将明显受到干扰的信号 输送给用于进行处理的半导体芯片，则干扰与检测器信号一同M大。借 助检测器芯片和半导体芯片的相继设置，可以减小这种干扰的危险，并且 检测器装置能够以对被耦合输入该装置中的外部电磁干扰的灵敏性有利 地小的方式被构建。半导体芯片和检测器芯片特别是实施为分立的芯片。与单片集成地实 施微电子半导体元件和光电子检测器元件相比，在分立的实施形式中，单 芯片可以被简化地单独制造，并且针对其相应的功能来优化。例如具有集成电路的微电子半导体芯片(IC-芯片)优选基于元素 半导体材料，特别优逸基于硅。硅适合于构建带有集成电路、特别是还带 有放大器电路的微电子芯片(IC-芯片)。针对特别是用于检测辐射的检测器芯片，化合物半导体材料、特别是 III-V-化合物半导体材料是特别适合的。因此优选的是，检测器芯片包 含化合物半导体材料或者基于化合物半导体材料。通过在有源区中吸收辐 射而将辐射转化为在检测器芯片的、用于生成检测器信号的有源区中的检 测器信号时，III-V-化合物半导体材料的特色在于可以简化地实现高量子 效率。在一种优选的扩展方案中，检测器芯片通过i更置在半导体芯片和检测 器芯片之间的、导电的连接层特别是直接地、导电地与半导体芯片相连。有利的是，相对于其它的导电连接(譬如掩^线)，可以通it^L检测 器芯片和半导体芯片之间构建层状的导电连接来简化地缩短在半导体芯 片和检测器芯片之间的电连接段。于是可以减小电磁干扰耦合输入检测器 装置中的危险。优选的是，检测器芯片与半导体芯片、特别是与半导体芯片的输入端 导电相连。检测器芯片可以设置在半导体芯片的输入端上，其中导电连接 可以特别有利地通过连接层来实现。检测器信号被通过半导体芯片的输入 端合乎目的地引导至半导体芯片中用于进行处理。在另 一种优选的扩展方案中，检测器芯片的背离半导体芯片的侧^MLi殳 计用于将检测器芯片接地，特别是借助掩^线来接地。为此，在检测器芯 片的背离半导体芯片的侧上可以i殳置有接触部，该接触部^L设计用于例如 通过将接触部与接合线相连来接地。这样，半导体芯片的输入端(该输入 端优选设置在检测器芯片的背离接地侧的侧上)可以被屏蔽而有效地防止电>^耦合输入进检测器装置中。此外，检测器芯片优选实施为二极管芯片。二极管芯片特别适*为 辐射检测器。在另一种优选的扩展方案中，检测器芯片被固定在半导体芯片上。为 此，检测器芯片与半导体芯片优选借助增附层(haftvermittdnden Schicht)、例如借助粘合剂层与半导体芯片相连。特别有利的是，该增附 层导电地实施，特别是同时实施为导电的连接层。为此，导电地构建的粘 合剂层、譬如银导电胶层(Silberleitkleberschicht)是特别适合的。连接层的厚度优选小于或等于15pm，特别优选为小于或等于10 p m。此外，连接层的厚度优选大于或等于3nm，特别优选为大于或等于 5nm。这种层厚度，特别是在5nm和10nm之间(包括端点)的层厚 度，特别适合于可靠的导电连接，并且同时适合于将检测器芯片通过增附 的连接层可靠地固定在半导体芯片上，并且在减小电磁干4^合输入到检 测器信号中的危险方面也是特别适合的。在另一种优选的扩展方案中，半导体芯片的朝向检测器芯片的表面比 检测器芯片的朝向半导体芯片的表面更大。这样可以简化检测器芯片在半 导体芯片的表面上的设置。在另一种优选的扩展方案中，半导体芯片的背离检测器芯片的表面i殳 计为安装面，用于将检测器装置安装到支承元件上。为此，安装面优选朝 向支承元件。由于检测器芯片和半导体芯片的相叠设置，所以安装面有利 地基本上仅仅通过半导体芯片的背离检测器芯片的表面来确定。这使得有 利节省位置地安装检测器装置变得容易。此外，检测器装置的高度优选小于或等于500jiim，特别优选为小于 或等于400pm。由此，实现了检测器装置的小的结构高度。例如，半导 体芯片可以具有200 n m或者更小的高度，和/或检测器芯片可以具有200 lim或者更小的高度。在另一种优选的扩展方案中，检测器芯片具有频谱敏感性分布 (Empfindlichkeitsverteilung )，该分布才艮据预先给定的频^t感性分布 来形成.检测器芯片的频，感性分布通过检测器芯片中所生成的信号(譬如 光电流或者与"M目关的量)与入射到检测器芯片上的辐射的波长的相关性 来给出。检测器芯片的频脊軟感性分布以及由此检测器装置的频脊軟感性分 布可以通过构建检测器芯片来有针对性地形成.优选的是，检测器芯片被 构建为使得在检测器芯片中所生成的信号根据预先给定的频镨敏感性分 布来呈现。如果半导体芯片构建为放大器，则在放大检测器芯片的信号之后，半 导体芯片使检测器芯片的、例如根据预先给定的频，感性分布而形成的 信号的^^信号形状优i^本保持不变。于是，在经itit大器之后，可以 省去在放大器中被改变的检测器信号的昂贵的向回校正 (Rueckkorrektur )。其中该检测器信号已经在i^Aj故大器之前与预先给 定的频，感性分布协调。预先给定的频谱敏感性分布在预先给定的波长入。处优选具有最大 值。预先给定的频a感性分布特别是可以通过人眼的频#^感性分布来 给出。对于适应明亮的人眼，其最大值在大约555nm处。检测器装置优选被设计用作环境光传感器。检测器装置由于可以在半 导体芯片中放大检测器信号而提供有利地高的输出信号，该输出信号在半 导体芯片和检测器芯片相叠设置的情况下对于电磁干扰展现出有利地小 的易受影响性。作为环境光传感器，检测器装置特别适合于控制照明装置， 如显示器的背光照明，譬如移动电话的显示器或者在车辆中的显示装置 (例如>(5^1)的背光照明。在另一种优选的扩展方案中，检测器芯片的被设计用于生成检测器信 号的有源区具有不同带隙和/或厚度的多个功能层。优选的是，至少一个功能层吸收如下波长范围中的辐射该波长范围包括大于入。的波长。为 此，对应于该功能层的带隙的波长优选大于入。。通过有源区的这样的构 建，检测器芯片的敏感性可以简化地根据预先给定的频#^:感性分布来形 成。对于其中预先给定的频，感性分布具有比较大的值的波长范围，功 能层优被相应厚地构建，使得该波长范围中的相应高的辐射功率被吸收。 对应地，在相应的功能层中可以生成更多的电子-空穴对，这些电子-空 穴对可以导致检测器芯片在该波长范围中的信号增强。对于具有在预先给 定的频"^t感性分布的较小值的波长范围，相应的功能层被优选相应薄地 构建。通it^目应功能层的厚度，可以有针对性地影响检测器芯片在被分配 给相应的功能层的波长范围中的响应度(相对于入射到检测器上的辐射功 率所生成的信号强度)。通过功能层的厚度彼此之间的关系，可以简化地 实现检测器芯片的频^lt感性分布与预先给定的频，感性分布的匹配。 特别地，可以借助构建有源区来实现对于大于入。的波长，检测器敏感性 与预先给定的敏感性分布匹配。优选的是，至少一个功能层具有在波长入 0附近范围中的带隙，使得在预先给定的敏感性分布的最大值附近的范围 中，生成比较大的检测器信号。有源区优选被集成在检测器芯片的半导体本体中。特别优选的是，有 源区构建在不同导电类型(p型导电或者n型导电)的两个层之间。功能 层优选被固有地(intrinsisch)实施，即未被掺杂地实施，并且特别优选 地i殳置在不同导电类型的两个层之间。在检测器芯片的辐射入射面(该辐射入射面优选通过检测器芯片的半 导体本体的背离半导体芯片的表面形成)和有源区之间，可以设置带有至少一个滤波层的滤波层结构。滤波层结构优选被单片地集成在检测器芯片 的半导体本体中。滤波层优选吸收在如下波长范围中的辐射该波长范围 包括小于入o的波长。在滤波层结构中所吸收的辐射功率并不到达有源区， 使得在被滤波的波长范围中，仅生成相应被减小的信号。合乎目的的是， 滤波层结构设置在有源区之外。借助滤波层结构，可以形成检测器芯片针 对以下波长的敏感性这些波长小于预先给定的频"^t感性分布的最大值 的波长入。。为此，滤波层的(间接或者直接)带隙优选对应于小于入o的 波长。如果滤波层结构具有多个滤波层，则这些滤波层优选以不同带隙和/或厚度构建。这样可以简化检测器敏感性与预先给定的频員感性分布的 匹配。由于可以单片集成进半导体本体中的滤波层结构以及构建有源区，所 以可以在将检测器芯片的敏感性与预先给定的敏感性匹配时，省去外部的 滤波器(设置在半导体本体之外的滤波器)。半导体本体特别是可以以根 据预先给定的敏感性分布的频^lt感性分布来外延生长。III-V-化合物半导体材料，优选来自材料系InxGayAl^yP的材料(其 中0"<1， 0<y<l并且x+y"，优选的是x^O和/或y垆0)和/或来自 材料系InxGayAl^yAs的材料(其中0<x<l， 0<y<l并且x+y《1，优 选的是x^0和/或y*0 )特别适合于检测器芯片，特别是适合于用于检测 根据人眼的预先给定的敏感性分布的检测器芯片。在可见的频镨范围中， 可以借助III-V-化合物半导体材料在有源区中生成信号时实现特别高的内 部量子效率。材料系InxGayAl^yP特别适合于构建有源区，特别是构建功能层。 来自材料系AlxGa^As (其中0 < x < 1 ，优选x>0 )或者InxGayAl^-yP的 材料特别适合于滤波层。如果半导体本体包含基于AlxGaLxAs的元件，则 基于InxGayAlk-yP的半导体本体的元件优选至少部分选自子材料系 In。.5(GaLxAlx)。.5P(其中0 < x < 1 ，优选x>0 )。 AlxGa^As和Ino.5(GaLxAlx)o.sP 彼此之间以及也与GaAs良好地格栅匹配，其中GaAs例如可以用作半导 体本体的生长衬底。而基于Si的光电二极管芯片在可见的频镨范围中具有比较小的频镨 敏感性，并且直至红外频谱范围是敏感的，^^得对于譬如按照眼睛^t感性 的辐射检测，Si光电二极管芯片在长波范围中的敏感性通常必须通过昂贵 的外部滤波M可能地与预先给定的敏感性匹配。因此，对于根据人眼的频員感性分布的环境光传感器，必要时如下 基于Si的检测器芯片也是适合的该检测器芯片的敏感性分布通过一个 或者多个合适的外部滤波器与人眼的敏感性分布协调。因为不带有设置在 前面的滤波器的Si光电二极管芯片通常在红外频镨范围中具有最大的敏 感性，所以基于III-V-半导体材料的检测器芯片特别适合于在可见频镨范 围中的有效的辐射检测，并且特别是也适合于环境光传感器。根据本发明的检测器部件包括安装在支承元件上的根据本发明的检 测器装置。优选的是，半导体芯片被设置在检测器芯片和支承元件之间。由于检测器芯片和微电子半导体芯片的相叠i更置，所以该部件能够以 有利地小的大小来实现。特别是可以实现这样的大小，该大小通常仅M 于单片集成的解决方案能够实现。优选的是，检测器装置被嵌入辐射可穿透的包封物中。包封物可以透 明地实施。特别地，由于能够简化地与预先给定的频"^t感性分布匹配的 检测器芯片的敏感性，所以可以省去用于将检测器装置的频"^t感性分布 进行匹配的滤波颗粒。在另 一种优选的扩展方案中，检测器部件具有多个(优选三个或者更多个)外部的电端子，这些电端子^L设计用于检测器装置的外部电接触。在另一种优选的扩展方案中，检测器部件被可表面安装(SMD:可 表面安装器件)地实施。表面安装技术使得将检测器部件节省位置地安装 在外部的传导元件(譬如电游^板)上变得容易。本发明的另外的特征、优点和合乎目的性从以下结合附图对实施例的 描述中得到。
图1示出了检测器装置的一个实施例的示意性截面图；图2借助图2A和2B中的示意性截面图示出了检测器芯片的两个实 施例，并且在图2C中量化地示出了两个检测器芯片的频"^t感性分布的 曲线走向以及适应光亮(helladaptierten)的人眼的频脊軟感性分布的曲 线走向，并且图3借助图3A中的示意性俯视图以及沿着图3A中的线A-A的检 测器部件的示意性截面图示出了检测器部件的一个实施例。相同的、类似的和作用相同的元件在附图中i殳置有相同的参考标记。图1示出了检测器装置的一个实施例的示意性截面图。检测器装置100包括用于检测辐射的光电子检测器芯片10和单独的 微电子半导体芯片20。检测器芯片IO被设置在半导体芯片20上，并且 通过设置在半导体芯片和检测器芯片之间的连接层21与半导体芯片相 连。检测器芯片10包括半导体本体1,该半导体本体1可以设置在支承 体2上。优选的是，半导体本体l被单片集成地实施，譬如外延生长地实 施。支承体2可以包括生长衬底，或者由生长衬底形成。其中用于半导体本体1的半导体层序列外延地生长在生长衬底上。此外，检测器芯片10具有适合于生成检测器信号的有源区5，该有 源区构建在第一半导体层3和第二半导体层6之间，其中这些层优选具有 不同的导电类型(p型导电或者n型导电)。有源区5优选被固有地实施， 即未被掺杂地实施。在检测器芯片10的、特别是背离半导体芯片20的辐 射入射面11 (该辐射入射面被设计用于辐射1检测器芯片中)与有源 区5之间设置了带有滤波层7的滤波层结构70。检测器芯片10的这些元 件优选在半导体本体1中单片集成地实施。辐射入射面11优选至少通过 半导体本体l的、背离半导体芯片20的表面的部分区域形成。有源区5和/或滤波层7优选包含或者基于III-V-化合物半导体材料。 借助III-V-化合物半导体材料，可以简化地构建高内部量子效率的有源区。 在有源区5中>^射到检测器芯片10上的辐射8中被吸收的辐射部分由 此很可能导致电子—空穴对，该电子—空穴对对检测器芯片10的信号作 出贡献。III-V-化合物半导体材料，特别是来自材料系i!ixGayAl^yP的材 料特别适合于用于检测可见的辐射的有源区5。滤波层7可以吸收来自辐射8的一部分。因为滤波层7 i殳置在有源区 5和辐射入射面11之间，所以在滤波层7中被吸收的辐射部分仅在相应减小的程度上对检测器芯片io的信号作出贡献。借助滤>:*^结构，检测器芯片10的频"^lt感性分布(在检测器芯片中所生成的信号与入射辐射 波长的相关性)可以简化地根据预先给定的频，感性分布(例如人眼的 频"^t感性分布)来形成。通过构建有源区5,也可以将检测器芯片10的频"^t感性分布与预 先给定的频"#^感性分布匹配。为此，有源区5优选包括多个不同带隙和 /或厚度的功能层。这些功能层可以吸收来自入射的辐射的辐射部分。借 助吸收所生成的电子-空穴对对辐射检测器的信号作出贡献，其中可以通 过功能层的设计来形成检测器芯片的频"^t感性分布的曲线走向。这结合 图2A至2C更为详细地予以阐述。为了电接触，检测器芯片10具有第一接触部9和第二接触部12，这 些接触部例如分别实施为金属化物。第一接触部9优选设置在有源区5 的背离半导体芯片的侧上，优选作为施加到半导体本体l上的接触部。第 二接触部优选设置在有源区5的朝向半导体芯片20的侧上，优选设置在 半导体本体l (特别是支承体2 )和连接层21之间。第一和第二接触部与有源区5导电相连，使得在有源区中所生成的信号可以简化地被采集并且 供给半导体芯片20。半导体芯片20例如构建为基于Si的、用于处理在检测器芯片10中 所生成的信号的IC芯片。由于通常在检测器芯片10中所生成的信号比较 小，所以集成在半导体芯片20中的、特别是对数的放大器电路(该电路 优选不改变在检测器芯片10中所生成的信号的差J^信号曲线走向)特别 适合于处理检测器信号。在优选实施为二极管芯片的检测器芯片中所生成 的光电流通常在纳安(nA)的量级，使得对该信号的放大对于信号的进 一步分析是有益的。半导体芯片20优选具有基体22，其例如由Si构成，电路可以被集成 到该基体中。此外，半导体芯片20具有输入端23，检测器芯片10优选 i殳置在该输入端上。输入端23优选构建为基体22中例如通过注入掺杂剂 构建的区域。在半导体芯片20的输入端23上优选设置有电输入接触部24，例如 金属化物，该输入接触部与半导体芯片20的输入端23导电相连。连接层 21优选导电地实施，并且特别优选地与输入接触部导电相连。借助设置 在检测器芯片10的有源区5和输入端23之间的连接层21，检测器芯片 IO与半导体芯片的输入端导电相连。优选的是，检测器芯片IO借助连接 层21同时固定在半导体芯片20上。连接层21为此优选实施为导电地构 建的、增附的层，例如实施为导电胶层，特别是实施为银导电胶层。检测器芯片10与半导体芯片20通过连接层21优选直接导电相连。 必要时可以省去输入接触部24和/或第二接触部12。在检测器芯片10中生成的信号从有源区5出发通过第一半导体层3、 优选通过导电地实施的支承体2以及第二接触部12被输送给输入端23。 由于检测器芯片10和半导体芯片20的相叠设置，以及借助连接层21在 芯片之间的层状的导电连接，导电的连接段可以有利地短地实施。优选的 是，连接层21具有在5lim至10nm之间(包含端点)的厚度。有利的 是，连接段也相应地具有在该范围中的长度。电磁影响耦合输入的危险或 者由于电磁辐射而在检测器装置100中形成的感应的干扰电流(这些电流 会使得导入半导体芯片20之前的检测器芯片的信号失真)于是可以在可 靠固定的情况下被减小。如果检测器装置被设计用于使用在具有较高的电 磁栽荷的位置(例如在移动电话中)，这一点是特别有意义的。检测器芯片IO的背离半导体芯片20的第一接触部可以被实施或者设 计用于借助接合线来接地，使得在检测器芯片IO在其背离半导体芯片20 的侧上接地的情况下，半导体芯片20的输入端23 ^L有效地屏蔽以防止电 磁干扰耦合输入检测器装置中。检测器装置100借助其敏感性根据人眼的敏感性分布构建的检测器 芯片10而特别适合于作为环境光传感器，该传感器由于在半导体芯片中 的放大而能够提供比较高的输出功率或者大的输出信号(半导体芯片20 的输出端在图1中未被明确示出)。这种环境光传感器可以应用于照明装 置或者显示装置的、^L据环境光的改变的特别精确的亮度控制，例如在移 动电话或者在车辆的>(5^1中的亮度控制。基于Si的检测器芯片10作为环境光传感器必要时通过连接层(必要 时带有一个或者多个^1置在前的、用于匹配敏感性的外部滤波器)可以固 定在半导体芯片20上并且与半导体芯片相应地导电相连。而基于III-V-半导体的检测器芯片特别适合于可见的频镨范围。半导体芯片20的朝向检测器芯片10的第一主面25优选具有比检测 器芯片的朝向半导体芯片20的主面13更大的面积。这样使得检测器芯片 IO在半导体芯片20上的稳定i殳置变得容易。半导体芯片20的部分面(优 选至少部分覆盖输入端23的面)可以被设计用于固定检测器芯片10。例 如，该面通过输入接触部24的背离基体22的面来给出。该面的面积优选 大于检测器芯片10的主面13的面积。半导体芯片10的背离检测器芯片 10的第二主面26优选设计为用于将检测器装置100安装在支承元件上的 安装面。在此，特别是朝向支承元件的面被视为检测器装置的安装面。此外，由于检测器芯片和半导体芯片彼此堆叠的设置，所以检测器装 置100可以特别紧凑地构建，例如具有400卩m或者更小的高度H。相对 于具有两个横向彼此间隔地设置的芯片的检测器装置的位置需求，这种检 测器装置的横向位置需求减小了 。图2借助图2A和2B中的示意性截面图示出了检测器芯片的两个实 施例，并且在图2C中量化地示出了两个检测器芯片的频镨敏感性分布的 曲线走向以及适应光亮的人眼的频镯敏感性分布的曲线走向。由于检测器芯片的频镨敏感性分布可以简化地按照预先给定的频镨 敏感性分布形成，所以这种检测器芯片特别适合于检测器装置(例如根据 图1)。根据图2A和2B中的实施例，检测器芯片10包括优选设置在支承体 2上的半导体本体1。半导体本体具有不同带隙和/或厚度的功能层4a、4b、 4c和4d,它们基本上形成半导体本体的有源区5，并且用于生成检测器 信号。优选的是，两个(特别是任意的)功能层具有不同的带隙，并且特 别优选的是具有不同的厚度。有源区5设置在优选朝向支承体的n型导电 的半导体层3和p型导电的半导体层6之间。在检测器芯片10 (尤其是 半导体本体i)的优选背离支承体的辐射入射面11和有源区5之间设置 了带有至少一个滤波层的滤波层结构70。带有滤波层结构、n型导电和p型导电的半导体层以及优选固有地实 施的功能层的半导体本体优选单片集成地构建。特别优选的是，支承体2 包括生长衬底，用于半导体本体的层外^ (例如借助MOVPE)生长， 或者由生长衬底形成。n型导电或者p型导电的半导体层3、 6优选被如此高地掺杂，使得 构建伸展的空间电荷区，该空间电荷区从p型导电的半导体层一直达到n 型导电的半导体层。功能层4a、 4b、 4c、 4d优选^L置在该空间电荷区内。 这种空间电荷区例如才艮据在半导体层3、 6中的掺杂剂的浓度可以具有 1100nm的垂直伸展，优选为1200nm或者更大的垂直伸展。根据其确切的构型(特别是关于相应的带隙)，功能层可以从^半 导体本体l的辐射8中吸收确定的波长。通过吸收产生电子-空穴对，只 要在空间电荷区中产生了这些电子-空穴对，则它们就对检测器芯片的信 号(例如光电流或者与此相关的量)作出贡献。与入射的辐射的波"M目关 的光电流的强度在此确定作为检测辐射的元件的、具有半导体本体的检测 器芯片的敏感性。借助构建滤波层结构70和构建功能层4a、 4b、 4c和4d，半导体本 体的频"^t感性和由此检测器芯片的频"^t感性可以被调整到预先给定的频"^t感性分布，该频"^感性分布优选在预先给定的波长入o附近具有最大值。优选的是，滤波层结构70在此通过吸^射辐射中波长小于入o的部 分导致检测器敏感性与预先给定的敏感性的匹配。由此，具有小于入。的 波长的辐射仅仅以减弱的强度射到有源区上。在该波长范围中所生成的信 号随后通过在滤波层结构中的吸收而与预先给定的敏感性分布匹配。通过吸收辐射在滤波层结构中产生的电子-空穴对优选基本上不对信号作出贡献。为此，滤波层结构合乎目的地设置在有源区5之外，特别 是在空间电荷区之外。相应的滤波层的直接或者间接的带隙在此可以对应 于小于入n的波长。优选的是，滤波层结构70被掺杂地实施和/或具有与半导体层6相同 的导电类型。通过功能层的带隙可以调节要在相应的功能层中吸收的波长或者要 吸收的波长范围。功能层的厚度确定了所吸收的辐射功率的部分，并且由 此确定了在相应的功能层中所产生的对信号的贡献。优选的是，半导体本 体1被调整为使得入射到半导体本体1上的辐射8大部分从辐射入射面 ll方面射到检测器芯片10上。功能层优选至少部分地、譬如通过适当地选择直接带隙来构建为使得 具有大于"的波长的辐射被吸收。由此，对于波长大于入。的敏感性分布 的长波长侧可以被与预先给定的敏感性分布匹配。特别地，信号可以通过 根据预先给定的频#^1感性分布、特别是针对大于人o的波长适当地构建 功能层来产生。此外，对应于功能层的带隙，优选至少部分波长大于入。。优选的是， 多个功能层具有对应于大于X。的波长的带隙。由此，可以4吏得将检测器 敏感性在短波长侧(小于入。)调整到预先给定的敏感性变得容易，因为 该敏感性基本上仅通过滤波层结构确定，并且这样可以减小将功能层和滤 波层结构彼此调谐的开销。通过将滤波层结构设置在空间电荷区之外，有利地使得将检测器敏感 性调整到预先给定的敏感性分布变得容易，因为滤波层结构被与功能层去 耦。由此减小了在滤波层中所产生的电子-空穴对对检测器信号产生干扰 性影响的危险，其中该检测器信号是在功能层的区域内根据预先给定的频 "^1感性分布来产生的。对于检测器芯片的敏感性具有决定性作用的信号 优逸基本上在有源区中产生。这种半导体本体允许将检测器芯片的敏感性通过滤波层结构和有源 区的设置和构造根据预先给定的敏感性分布来形成。关于功能层，这一点 优选适用于检测器敏感性的长波长侧，而滤波层结构优选根据预先给定的 频"^t感性分布确定检测器敏感性的短波长侧。检测器芯片可以非常节省位置地并且简单地制造。可以省去附加的用于与预先给定的敏感性匹配的外部滤波器，譬如滤波颗粒。功能层的数目优选取决于预先给定的敏感性分布的频谱宽度。该分布 越宽，则功能层的数目越大。已经表明通常很合适的是，将四个不同的功 能层设置在异质结构中，用于将所生成的信号调整到预先给定的频員感 性分布、特别是人眼的频"^t感性分布。检测器芯片16可以设置有电接触部(例如设置在半导体本体上的金 属化物)，以便能够进一步处理半导体本体中所产生的信号。在此，这些 接触部可以设置在半导体本体的不同的侧上。如果接触部设置在支承体的 不同的侧上(例如参见图1中的检测器芯片10的接触部9和12),则支 承体优选被相应地摻杂，以提高其导电能力。基于III-V-化合物半导体材料的半导体本体1或者有源区5特别适合 于使检测器芯片10的敏感性与预先给定的频#^1感性分布(特别是在可 见的频语范围中)匹配，因为借助III-V-化合物半导体材料可以实现特别 高的量子效率和带隙，它们对于宽的波长范围都;l合适的。在检测器芯片的另 一种优选的扩展方案中，其敏感性在波长X d处具有最大值，该波长入d偏离预先给定的频，感性分布的最大值的波长入o优选20nm，特别优选10nm，或者更小。在检测器芯片IO的一种优选的扩展方案中，检测器芯片被构建用于 根据人眼的敏感性分布来检测辐射。眼睛敏感性在入q 555nm (适应光 亮，昼视)或者在入。"500nm (适应黑暗，夜视)附近具有敏感性最大 值。预先给定的频"^t感性分布，特别是人眼的频*11感性分布，通常被 规定为其在波长入。处具有值1或者100%。检测器芯片的依赖于信号安培数)来说明.为了将检测器敏感性与预先给定的频"^t感性分布进行比较，因此合 乎目的的是，使两个敏感性彼此匹配，使得预先给定的敏感性分布在入o 处具有值100%，而检测器敏感性分布在XD处具有值100% (相对敏感 性)。只要没有另外i兌明，这里的描述针对相对敏感性。半导体本体优选被构建为使得在任意预先给定的波长的情况下，检测 器敏感性的相对值与预先给定的敏感性分布的偏差都小于20%，特别优选小于15%。对于根据眼睛敏感性的检测器芯片，特别是根据适应光亮的人眼的敏 感性的检测器芯片，半导体本体1优选基于III-V-半导体材料系 InxGayAl^yP和/或InxGayAh-x.yAs。功能层4a、 4b、 4c和4d优选由这些 材料系构建，特别是由材料系InxGayAlk.yP构建，其中预选的是x^O和 /或y^0。在此，带隙可以通过改变A1含量来调整，其中较高的A1含量 可以对应于较大的带隙。这一点至少对于如下的Al含量是适用的所提 及的半导体材料系针对该ai含量而形成了对于构建功能层是优选的直接的半导体。特别优选的是，半导体本体基于Inn.s(GakAlx)。.5P和/或 AlxGa^As，它们彼此之间良好格栅匹配，并且也与GaAs生长衬底良好 地格栅匹配'在根据图2A的实施例中，滤波层结构70包括单个的滤波层7。滤波层7优选通过间接带隙吸收小于入。的波长来确定检测器敏感性 的短波长侧的曲线分布。为此，滤波层被合乎目的AM目应厚地实施。滤波层的直接带隙优选确定了检测器敏感性的短波边界波长。对于小 于短波边界的波长，检测器敏感性消失或者可以忽略。滤波层7在半导体本体中根据眼睛敏感性优选由AlxGai.xAs (0 < x < l)或者GaP形成。有利的是，具有所提及的功能层材料或者滤波层材料 的半导体本体可以被单片集成地制造。针对滤波层所提及的材料可以具有直接或者间接带隙，其中直接带隙 优选对应于小于入《的波长，其特别优选地确定检测器敏感性的短波边界。GaP例如具有直接带隙(EG 2.73eV )，其对应于大约455nm的波长， 而可被用于滤波层的Al。.8Gao.2As的直接带隙(EG 2.53eV)对应于大约 490nm。通过间接带隙吸^射的辐射优选确定了对于小于入。的检测器 敏感性波长的短波长侧。通过间接带隙吸收的辐射功率部分可以通过滤波 层的厚度来影响。对于具有根据适应光亮的人眼的频"Wt感性分布的频镨敏感性分布 的检测器芯片10，具有以下元件的检测器芯片IO是特别适合的(其中该 检测器芯片具有带根据图2A的单个滤波层7的滤波层结构)在用作生长衬底的、由n-GaAs构成的支承体2上，例如借助 MOVPE方法外延生长基于InxGayAl^.yP的半导体本体。首先在含有GaAs的支承体2上生长由In。.5Al。.5P构成的、大约lOOnm厚的高掺杂的 (n+) n型导电的半导体层3。随后制造有源区5，其包括基本上未被掺 杂的功能层4a (In05Ga0SP，厚度-50nm， EG 1.91eV， XG 650nm), 4b (In。.5(Gao.9Al(u)。.5P，厚度"100nm， EG 1.97eV， XG 630nm), 4c (In05(Ga。.7Al03)。.5P，厚度绍400nm， EG 2.07eV，入G"600nm)，以及 4d (In。.5(Ga。.5Al。.5)0.5P，厚度a500nm， EG 2.20eV， XG 565nm)。在 此，Ec表示相应材料的对于吸^决定性作用的、特别是直接带隙，并 且入G表示对应于该带隙的波长。随后制造大约100nm厚的、p型导电的 高掺杂的(p+) In。.sAV5P层6，之后是大约15 n m厚的p-GaP滤波层7。 由n型导电的半导体层3和p型导电的半导体层6导致的空间电荷区延伸 通过功能层.滤波层7 i殳置在空间电荷区之外。然而，这种半导体本体l具有15lum厚的滤波层7，对于检测器芯片 比狄。才艮据上述实施形式构建的检测器芯片10的频*感性分布102a在图 2C中被量化地、关于根据CIE (国际照明委员会)的V(入)曲线的眼睛 敏感性曲线103地示出。为此，测量了具有祁*据上述实施形式构建的半导 体本体的检测器芯片10的敏感性分布。眼睛敏感性的最大值X Q和检测器敏感性的最大值入D，a在此几乎一 致，其中入D,a略大于入。。这些波M此的偏差优选为10nm,特别优选为 5nm,或者更小。在此，检测器敏感性102a的短波长侧105a通过滤波层 7来确定。在边界波长、(《455-465nm)之下，检测器敏感性几乎为 零。该边界波长大致对应于GaP的直接带隙(EG 2.73eV)。对于大于入 i的波长，滤波层7通过由其间接带隙的吸收确定了检测器敏感性的短波 长侧的曲线走向。因为GaP具有比较平坦的吸收边，所以滤波层以15jn m相对厚地实施，以便实现在小于入。的波长范围内使检测器敏感性与预 先给定的敏感性分布匹配。检测器敏感性的长波长侧106a通过功能层的设计来确定。对于其中 检测器敏感性和预先给定的敏感性具有大的值的、大约550nm至大约 620nm的波长范围，相应的功能层4d和4c如上面所阐述的那样以500nm 或者400nm比较厚地实施，使得在辐射检测器中在该波长范围中生成相 应高的光电流信号。而层4b以lOOnm比较薄地实施，因为对于在大于大 约620nm的范围中的波长，眼睛敏感性比较小。在大于大约640nm至680nm、特别是直至700rnn的范围中，眼睛敏感性非常小，并Jjt目应的 功能层4a因此以50nm比较薄地实施。与图2A中所示的检测器芯片IO不同，在根据图2B的实施例中，滤 波层结构70具有多个滤波层7a、 7b和7c，它们优选具有不同带隙和/或 厚度。优选的是，两个、特别是任意的滤波层都具有不同的带隙，并且特 别优选的是具有不同的厚度。滤波层结构70优选实施为连续的滤波层复 合结构。p型导电的半导体层6也可以被构建用于滤波，然而这并非是一定必 须的。优选的是，滤波层结构的至少一个滤波层、特别优选的是所有滤波 层都被高掺杂地实施，譬如p型导电(p+)地实施。在滤波层结构的滤波层中的吸收基本上通过相应滤波层的直接带隙 来进行。在根据图2A的实施例中滤波以及特别是检测器敏感性的形成在 短波长侧主要通过由单个滤波层的间接带隙的吸收来进行，不同于该实施 例，根据图3的滤波层结构可以简化地被较薄地实施，而不会对与预先给 定的频"^t感性分布的匹配造成不利影响。特别地，滤波层结构70的厚 度可以总计为ljnm或者更小，优选为0.9jum或者更小。随着滤波层结构的厚度的减小，譬如由于外延时间的缩短也有利地降 低了这种半导体本体的制造成本。滤波层7a、 7b、 7c可以分别基于IHxGayAh."P和/或InxGayAh-"As， 特别是Ino.s (Ga^Alx) 0.5P和/或AlxGa^As。通过具有多个薄的滤波层的滤波层结构70，可以避免在厚的滤波层 的直接带隙的范围中检测器敏感性的比较快的下降。由此，检测器敏感性 也可以在滤波层的直接带隙的范围中或者在预先给定的频，感性分布 的到末端的短波边缘的范围中简化地与预先给定的分布匹配。对于根据图2B的、具有带有多个滤波层的滤波层结构70以及具有 根据适应光亮的人眼频i綠感性分布的频"^L感性分布的检测器芯片，包 括以下元素的有源区是特别适合的功能层4a (In。.5Ga。.5P，厚度"50nm， EG 1.91eV， XG 650nm)， 4b (In。5(Gao9Al(u)。5P，厚度-100nm， EG 1.97eV，入G"630nm), 4c (In。.5(Ga。.7Al03)。.5P，厚度"300nm， EG 2.07eV， XG 600nm)，以及 4d (In。.5(Ga。.5Al。.5)。.5P，厚度"700nm， EG 2.20eV， XG 565nm)。与图2A中的半导体本糾艮据眼睛敏感性的构型的区别在于功能层4c和4d 的厚度，这些层由于滤波层结构的改变而更薄或更厚地实施。对于滤波层结构70，滤波层7a (In。.5Ak5P，厚度"400nm)， 7b (Al0.7Ga。.3As，厚度"250nm)以及7c (Al。.8Ga。.2As，厚度"200nm)是 特别适合的。优选的是，如果p型导电的半导体层6如在图2B中所示的 那样构建为滤波层7a，则n型导电的层3 (Ina.5Al。.5P，厚度《 400nm)在 组成和厚度上相应于p型导电的半导体层6那样实施。于是得到滤波层结 构的厚度为大约850nm。在图2C中同样示出了这样构建的检测器芯片的频镨敏感性分布检测器敏感性102b的长波长侧的M的曲线走向106b与检测器敏 感性的曲线走向102a —致。长波长侧106b基本上相应于预先给定的人眼的频#感性分布103的长波长侧。特别地，人D，a-入D，b。与检测器敏感性102a不同，根据图2B的半导体本体由于多个滤波 层而对于小波长生成有效的信号，其中这些滤波层相对于根据曲线102a 的单个的滤波层不确定清晰的下边界波长。对于小于 W的波长，从大约 460nm开始，由于多个滤波层7a、 7b和7c,由此可以简化地实现将检测 器敏感性与预先给定的频镨敏感性分布匹配。而在图2C中，检测器敏感 性102b的短波长侧105b也在比较小的波长范围中，譬如小于490nm的 波长范围中良好地与预先给定的频"^t感性分布103匹配。总之,可以借助多个滤波层和基本上通过其直接带隙对辐射部分的吸 收来改善检测器敏感性与预先给定的频*^感性分布的匹配。同时，实现 了滤波层结构的有利地小的厚度。要注意的是，功能层的Al含量可以与这里所举出的含量不同。这样， 例如也可以借助其Al含量比上面所举出的Al含量相差10%或者更小， 优选相差5%或者更小的功能层，来实现必要时根据眼睛敏感性的检测器 芯片。通过功能层和滤波层结构的合适的构建，以及它们彼此的协调，也可 以实现另外的、与眼睛敏感性不同的检测器敏感性，例如根据预先给定的 频镨矩形分布。此外，功能层的数目(在实施例中为四个功能层)并不能 视为限制。也可以在检测器芯片的半导体本体中设置与此不同数目的功能层。图3借助图3A中的示意性俯视图以及沿着图3A中的线A-A的检 测器部件的示意性截面图示出了检测器部件的一个实施例。检测器部件200包括检测器装置100，其安装在支承元件30上，例 如被焊接在支承元件30上。检测器装置100优选根据结合图1所描述的 实施例来实施，并且包括光电子检测器芯片IO和微电子半导体芯片20， 它们通过连接层21优选;W^稳定地和导电地连接。检测器芯片优选根据图2的实施例iM^建。半导体芯片20设置在检 测器芯片10和支承元件30之间。检测器装置IOO被嵌入清透的、辐射透 射的包封物36中，该包封物优选无滤波颗粒地实施。包封物36例如包含 反应树脂，例如环氧树脂或者丙烯酸树脂，硅树脂或者聚硅氧烷。环氧化 物压制材料(Epoxidpressmasse)特别适合于作为包封物的材料。包封物 保护检测器装置以及必要时保护另外的被嵌入包封物中的元件优选免受 有害的外部影响，例如机械载荷。检测器部件200此外包括第一外部端子31、第二外部端子32、第三 外部端子33和第四外部端子34，用于检测器装置100的外部电接触。可 表面安装地实施的检测器部件200的这些外部端子可以与电路板(未示 出)的印制导线导电相连，例如焊接。外部端子优选分别作为连M属化 物在优选包含塑料的支承元件30上实施。检测器装置100以其用作安装面的、背离检测器芯片IO的第二主面 26安装到构建在支承元件30上的安装区35上，其中该安装区例如通过 金属化物来形成。第一和第二外部端子31和32优选彼此(特别是直接地) 导电连接和/或在安装部件时被设计用于借助将端子置于地电位来接地。 必要时，第一和第二外部端子31或32也可以实施为单个的、共同的端子。安装区35优选与第一和第二外部端子31和32导热相连，使得在半部端子31及32导出。例如实施为金属化物的线接地区37优选与第一和第二外部端子31、 32特别是通过安装区35导电相连，使得检测器芯片10的第一接触部9 以及优选设置在半导体芯片20的第一主面25上的接地接触部43可以分 别借助接合线38或者39通过线接地区37来接地。接地接触部43和第一接触部9为此通过接合线39或者38与线接地区37导电相连。有利的是，针对电磁环境干扰的耦合输入借助接合线38来屏蔽半导 体芯片20的输入端23。有利的是，所感应的干扰(例如干扰电流)通过 这种方式被简化地引到地电位，而不是引到检测器芯片或者半导体芯片 中。在检测器芯片IO和半导体芯片20之间的、通过连接层21的导电的 层连接减小了电磁干^合输入到检测器部件200中的危险，特别是耦合 输入到由检测器芯片所生成的、并且被引导到半导体芯片中的检测器芯片 的信号中的危险.第三外部端子33优选与半导体芯片20可以具有的供给接触部40例 如借助另外的接合线41导电相连。通过第三外部端子33，半导体芯片20 可以以这种方式^UI:，给电压(Vcc )。供给端子40优选设置在半导体 芯片20的主面25上，并且例如构建为金属化物。通过第四外部端子34可以检测在半导体芯片中M大的检测器芯片 的信号，其中该第四外部端子优选与半导体芯片20的输出端接触部42(例 如金属化物)例如通过另外的接合线44导电相连。输出端接触部42优选 设置在主面25上，并且与半导体芯片的输出端导电相连。检测器芯片和 半导体芯片的相叠设置结合以第一接触部的接地，使得可靠地检测和进一 步使用检测器部件的输出信号变得容易，该输出信号有利地低干扰或者对 干扰不敏感。由于检测器装置100的检测器芯片10和半导体芯片20的相叠设置， 可以形成非常节省位置的、特别是具有小的安装面的检测器部件200。检 测器部件200的壳体在将检测器部件安装到例如电缚^板上时，具有小的位 置需求，其中该壳体可以包括支承元件30和包封物36。部件的安装面优 选是支承元件30的背离检测器装置的表面。本申请要求2005年9月30日的德国专利申请DE 10 2005 047 136.6 的优先权和2005年12月21日的德国专利申请DE 10 2005 061206.7的优 先权，其公开内容明确地通过引用结合于本申请中。本发明并非通过借助实施例的描述而局限于此。更确切地说，本发明 包括所有的新特征以及特征的组合，特别是包含于权利要求中的特征的任 意组合，即使该特征或者该组合本身并未在权利要求中或者实施例中被明确说明。
权利要求
1.一种检测器装置(100)，具有微电子半导体芯片(20)和单独的光电子检测器芯片(10)，其中检测器芯片设置在半导体芯片上。
2. 根据权利要求1所述的检测器装置，其中半导体芯片(20)被实 施为用于处理在检测器芯片中生成的信号。
3. 根据权利要求2所述的检测器装置，其中半导体芯片构建为用于 放大在检测器芯片中生成的信号的放大器。
4. 根据上述权利要求中的至少一项所述的检测器装置，其中检测器 芯片(10 )基于化合物半导体材料。
5. 根据权利要求4所述的检测器装置，其中检测器芯片(10)基于 III-V-化合物半导体材料。
6. 根据上述权利要求中的至少一项所述的检测器装置，其中半导体 芯片(20 )基于元素半导体材料，特别是硅。
7. 根据上述权利要求中的至少一项所述的检测器装置，其中检测器 芯片(10)导电地与半导体芯片相连。
8. 根据权利要求7所述的检测器装置，其中检测器芯片(10)通过 设置在半导体芯片(20)和检测器芯片之间的、导电的连接层(21)导电 地与半导体芯片相连。
9. 根据上述权利要求中的至少一项所述的检测器装置，其中检测器 芯片(10)设置在半导体芯片(20)的输入端(23)。
10. 根据上a利要求中的至少一项所述的检测器装置，其中检测器芯片(10)固定在半导体芯片(20)上。
11. 根据上述权利要求中的至少一项所述的检测器装置，其中检测器 芯片(10)借助增附层(21)与半导体芯片(20)相连。
12. 根据权利要求8和10或11所述的检测器装置，其中增附层(21) 实施为导电的连接层(21)。
13. 根据上ii^利要求中的至少一项所述的检测器装置，其中检测器 芯片(10)的背离半导体芯片(20)的侧(11)被i殳计用于检测器芯片的 接地。
14. 根据上B利要求中的至少一项所述的检测器装置，其中检测器 芯片(10 )具有频a感性分布(102a, 102b )，该频a感性分布^L据 预先给定的频#^感性分布(103 )来形成。
15. 根据权利要求14所述的检测器装置，其中预先给定的频#^1感 性分布是人眼的敏感性分布(103 )。
16. 根据上i^利要求中的至少一项所述的检测器装置，其中检测器 装置被设计用作环境光传感器。
17. 根据上述权利要求中的至少一项所述的检测器装置，其中检测器 装置的高度小于或者等于500jim。
18. 根据上述权利要求中的至少一项所述的检测器装置，其中半导体 芯片(20)的背离检测器芯片(10)的表面(26)被设计作为安装面，用 于将检测器装置(100)安装到支承元件上。
19. 根据上a利要求中的至少一项所述的检测器装置，其中半导体 芯片(20)的朝向检测器芯片(10)的表面(25)比检测器芯片的朝向半 导体芯片的表面(13)更大。
20. —种检测器部件(200)，具有安装在支承元件(30)上的、根据 上述权利要求中的任一项所述的检测器装置(100)。
21. 根据权利要求20所述的检测器部件，其中半导体芯片(20)设 置在检测器芯片(10 )和支承元件(30 )之间。
22. 根据权利要求20或21所述的检测器部件，其中检测器部件(100 ) 被嵌入辐射透射的包封物(36)中。
23. 根据权利要求20至22中的任一项所述的检测器部件，其实施为 可表面安装的检测器部件。
全文摘要
本发明提出了一种检测器装置(100)，其具有微电子半导体芯片(20)和单独的光电子检测器芯片(10)，其中检测器芯片设置在半导体芯片上。此外还提出了一种带有这种检测器装置的检测器部件。
文档编号H01L31/0203GK101278405SQ200680036155
公开日2008年10月1日 申请日期2006年8月17日 优先权日2005年9月30日
发明者托马斯·霍费尔, 韦尔纳·库尔曼 申请人:奥斯兰姆奥普托半导体有限责任公司