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Dokumentenidentifikation DE102005048360A1 12.04.2007
Titel Mit dem RIE-Verfahren erzeugte selbstorganisierte Nanostrukturen auf Siliziumbasis als breitbandige optische Absorber
Anmelder X-FAB Semiconductor Foundries AG, 99097 Erfurt, DE
Erfinder Bach, Konrad, Dr., 99189 Tiefthal, DE;
Gäbler, Daniel, 98693 Ilmenau, DE
DE-Anmeldedatum 10.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005048360
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse B82B 1/00(2006.01)A, F, I, 20051010, B, H, DE
Zusammenfassung Siliziumoberflächen mit einer durch ein RIE-Verfahren erzeugten selbstorganisierten Nanostruktur können hervorragend als Absorber dienen, wobei nahezu alles Licht im Bereich von 180-1100 nm absorbiert wird. Ebenso sind sie gut für die Strahlungsabgabe geeignet. Durch das Aufbringen einer dünnen zusätzlichen Schicht kann der Wellenlängenbereich der Absorption und Emission noch deutlich erweitert werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf die Anwendung von strukturierten Oberflächen von Siliziumkristallkörpern, die eine möglichst hohe Lichtabsorption für einen großen Wellenlängenbereich garantieren. Für diesen Zweck müssen die Grenzflächeneigenschaften zwischen zwei Medien so verändert sein, dass zwischen ihnen kein Impedanzsprung auftritt, sondern die unterschiedlichen Impedanzen stetig ineinander übergehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorteilhafte Anwendung von mit konventioneller Halbleitertechnologie einfach herzustellenden nanostrukturierten Siliziumoberflächen für die Zwecke der breitbandigen optischen Absorption zu nutzen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Der Gegenstand des Anspruchs 1 weist die Vorteile auf, dass die nadelförmigen Siliziumspitzen mit großem Aspektverhältnis in statistisch homogener Verteilung auf der Oberfläche ein effektives Medium bilden, das für den stetigen Übergang der beiden Materialeigenschaften sorgt. Dadurch kann im gesamten sichtbaren Bereich, für die Modifikation einer Siliziumoberfläche, eine Absorption von über 99 % erreicht werden. Sogar über den sichtbaren Bereich hinaus wird eine solch gute Absorption erreicht.

In der 1 sind Messergebnisse der optischen Reflexion von modifizierten Siliziumoberflächen im Vergleich zu unbehandelten abgebildet.

2 zeigt die extrem geringe und wellenlängenunabhängige Reflexion der modifizierten Siliziumoberfläche im Detail.

3 zeigt die direkte Absorptionsmessung durch die Photothermische Deflektionsspektroskopie (PDS).

Ab einer Wellenlänge von 1100 nm wird Silizium transparent und absorbiert kein Licht mehr. Um auch im Wellenlängenbereich oberhalb von 1100 nm noch als Absorber zu wirken, kann die strukturierte Siliziumoberfläche Beispielsweise mit einer dünnen Metallschicht beschichtet werden. Das Metall übernimmt dabei die Funktion des absorbierenden Materials, wobei die Oberflächenmodifikation durch die Struktur im Silizium gegeben ist.

Die Erfindung wirkt nicht nur in eine Richtung, also von Material A nach Material B, sondern genauso gut auch in umgekehrter Richtung, von Material B nach Material A. Damit dient sie ebenso der Verbesserung der Emission im betroffenen Wellenlängenbereich.

Der besondere Vorzug der breitbandig und effizient absorbierenden selbstorganisierten Nanostrukturen auf der Siliziumoberfläche kann in vielen Anwendungsfällen vorteilhaft ausgenutzt werden. Solche Schichten können vorzugsweise in optischen Geräten oder Komponenten angewendet werden. Dabei sei beispielhaft die Auskleidung von präzisionsoptischen Geräten genannt oder die Absorptionsfläche in digitalen Projektoren mit Spiegeltechnologie (Digital Light Processing), bei denen es auf eine möglichst vollständige Absorption des eingestrahlten Lichtes ankommt, um einen möglichst hohen Kontrastwert zu erzielen. Außerdem ist es für die farbliche korrekte Darstellung notwendig, dass die Absorptionseigenschaften über einen großen Wellenlängenbereich konstant sind. Andere Anwendungen ergeben sich überall da, wo sichergestellt werden muss, dass eingestrahltes Licht wellenlängenunabhängig möglichst vollständig in Wärme umgewandelt wird. Durch die guten breitbandigen Eigenschaften kann die Erfindung auch als Reflexionsstandard für sehr geringe Reflexionswerte eingesetzt werden. Eine weitere Anwendung ist die verbesserte Strahlungsabgabe, wie sie in optischen Bauelementen wie LEDs, oder LASER vorkommt. Durch die Metallbeschichtung ist eine Emission von Wärmestrahlung möglich. Dies kann zur gezielten Wärmeabgabe oder auch für die effizientere Kühlung angewandt werden. Eine interessante Anwendung diesbezüglich ist die Reduzierung von Kühlfläche eines Bauelementes durch die verbesserte Wärmeabgabe.

Anlage Bezugszeichenliste Figur 1

  • Spektrale Reflexion für Silizium mit und ohne Oberflächenmodifizierung. Die Kurven wurden mit einer Ulbrichtkugel ermittelt und beschreiben die Reflexionen der Oberflächen in alle Raumwinkel.
  • 1 blankes Silizium
  • 2 modifizierte Siliziumoberfläche

Figur 2

  • Spektrale Reflexion für Silizium mit modifizierter Oberfläche. Im Sichtbaren Bereich sind sehr niedrige und wellenlängenunabhängige Reflexionswerte zu sehen. Das Rauschen oberhalb 800 nm ist auf den Detektorwechsel im Messgerät zurückzuführen.

Figur 3

  • Photothermische Deflektionsspektroskopie (PDS) einer modifizierten Siliziumoberfläche. Eine Amplitude von 1 entspricht 100 % Absorption. (0,9 eV = 1350 nm bis 2,2 eV = 560 nm)


Anspruch[de]
Mit dem RIE-Verfahren auf Siliziumoberflächen erzeugte selbstorganisierte nadelartige Strukturen in Nanodimensionen mit Abmessungen kleiner als die Lichtwellenlängen und mit einem Aspektverhältnis größer 4:1, die unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SF6 ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation während des Ätzprozesses in einem einzigen Prozessschritt erzeugt werden, wie bereits vorgeschlagen wurde, dadurch gekennzeichnet, dass diese Nanostrukturen in Form von Schichten als breitbandige optische Absorber für die Auskleidung von präzisionsoptischen Geräten eingesetzt werden. Nadelartige Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Absorptionsfläche in digitalen Projektoren mit Spiegeltechnologie (Digital Light Processing) eingesetzt werden. Nadelartige Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese für Geräte eingesetzt werden, bei denen die optische Strahlung wellenlängenunabhängig möglichst vollständig in Wärme umgewandelt wird. Nadelartige Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese zu Zwecken der verbesserten Strahlungsabgabe, wie sie in optischen Bauelementen, z.B. LEDs, oder LASER vorkommt, eingesetzt werden. Nadelartige Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese für Reflexionsstandards für sehr geringe Reflexionswerte eingesetzt werden. Nadelartige Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit einer dünnen Metallschicht überzogen eingesetzt werden. Nadelartige Strukturen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht der gezielten Wärmeabgabe dient.






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