DE3142301A1

DE3142301A1 - "optisches sensorelement auf halbleiterbasis"

Info

Publication number: DE3142301A1
Application number: DE19813142301
Authority: DE
Inventors: Dozent Torgny 72474 Västerås Brogårdh; Christer 72243 Västerås Ovrén
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1980-11-06
Filing date: 1981-10-24
Publication date: 1982-06-16
Also published as: SE8007805L; SE436800B; US4473747A; JPS57110930A

Description

ASEA Aktiebolag, Västeras/Schweden Optisches Sensorelement auf Halbleiterbasis

Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorelement auf Halbleiterbasis gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es wurde bereits früher ein faseroptisches Meßgerät vorgeschlagen, bei dem kraft- oder druckabhängige Veränderungen im Lumineszenzspektrum eines festen Materials zum Messen dieser Strukturen benutzt wird. In der DE-OS 31 01 047 wird ein optisches Meßgerät zum Messen einer Kraft oder eines Druckes vorgeschlagen, das mindestens eine Lichtquelle, mindestens eine lichtleitende (optische) Faser zum Leiten des Lichtes hin zu einem Sensor und weg von einem Sensor und ein Detektorsystem enthält. Der Sensor besteht dabei aus einem Material, das druck- oder kraftabhängige Fotolumineszenzeigenschaften hat, und das im Detektorsystem empfangene Signal ist von dem Druck oder der Kraft abhängig.

Es wurde auch die Verwendung von Halbleiterstrukturen als Sensoren in solchen Meßgeräten vorgeschlagen. Diese Strukturen bestehen aus drei oder mehreren auf einem Substrat epitaktisch gewachsenen Schichten aus GaAs und Al Ga₁ As. Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein optisches Sensorelement zum Erfassen physikalischer Größen, wie Druck oder Temperatur, und das Sensorelement

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wird optisch angeregt und erzeugt eine Fotolumineszenz, die ein Maß für die zu messende Größe ist. Bei dieser Anordnung ist das in den Sensor eingehende lumineszierende Material von Material mit niedriger Absorptionsfähigkeit für das Anregungs- und Lumineszenzlicht umgeben (abgedeckt). (Siehe die DE-Patentanmeldung P 31 37 389). Bei dieser Ausführung der Sensorstruktur erhält man eine Reihe von Vorteilen, die in den genannten Druckschriften näher beschrieben sind.

Die physikalische Wirkung, die in diesen Meßgeräten ausgenutzt wird, besteht darin, daß ein auf das Material aufgebrachter Druck den Bandabstand des Materials verändert. Die Wirkung ist jedoch verhältnismäßig klein; sie beträgt d£_r/,_p = 16 * 10"

eV'cm /kg für GaAs bei Raumtemperatur, und es sind verhältnismäßig große hydrostatische Drucke erforderlich, um eine ausreichende Signalgröße zu erzielen.

Mechanische (uniachsiale) Kräfte können leichter gemessen werden, da sie auf einer kleinen Fläche des Materials aufgebracht werden können, jedoch besteht hierbei die Gefahr, daß die Oberfläche des Materials beschädigt wird, was eine Reduktion des Lumineszenzsignals zur Folge haben kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Sensorelement der eingangs genannten Art zu entwickeln, das eine gute Empfindlichkeit der zu messenden Größe aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein optisches Sensorelement nach

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dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispxelen soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Figur 1 eine erste Ausführungsform eines Sensors gemäß

der Erfindung,
Figur 2 eine andere Auführungsform eines Sensors gemäß

der Erfindung,

Figur 3 einen Sensor gemäß der Erfindung, mit dem im Substrat angebrachten Loch und mit mindestens zwei Halbleiterschichten,
Figur 4a einen Sensor gemäß der Erfindung zur Messung

eines absoluten Druckes,
Figur Ab einen Sensor gemäß der Erfindung zur Messung

einer Druckdifferenz,
Figur 5 einen Sensor, bei dem die Halbleiterstruktur

einen Endanschlag für die aus den Schichten gebildete Membran hat,

Figur 6a ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung im Schnitt längs der Linie A - A in Figur 6b,
Figur 6b den Sensor gemäß Figur 6a in Ansicht von vorn.

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3U2301

Die Strukturen der Halbleitersensoren in den Figuren 1 bis 6
können durch Aufwachsen von Epitaxialschichten und durch Anwendung sogenannter selektiver Ä'tzmethoden hergestellt werden.

Figur 1 zeigt einen Sensor mit einer Struktur, die aus drei oder vier Epitaxialschichten besteht. Eine "aktive" lumineszierende
Schicht 1 aus GaAs liegt zwischen als "Fenstern" wirkenden
Schichten 2, 3 aus Al Ga₁ As, wodurch man die gewünschten Lu-

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mineszenzexgenschaften für die Struktur erhält. Dieses umgebende Material soll eine niedrige Absorptionsfähigkeit für die Wellenlängen des Anregungslichtes und des Lumineszenzlichtes haben und es muß eine Gitterkonstante haben, deren Wert dem der Gitterkonstante der aktiven Schicht so nahe wie möglich liegt. Durch Wegätzen von Material des Substrats A wird in der Struktur ein Hohlraum 5 gebildet, der durch eine dünne Membran aus den Schichten
1 bis 3 begrenzt wird. Die Öffnung des Hohlraumes wird in geeigneter Weise verschlossen, beispielsweise durch direkten Anschluß einer lichtleitenden (optischen) Faser 6, deren Durchmesser grösser oder gleich dem Durchmesser des Hohlraumes 5 ist. Eventuell
kann zwischen der Faser und dem Halbleiterkristall 6-1-3 eine
Platte aus transparentem Material angebracht werden.

Wenn der Sensor einem hydrostatischen Druck ausgesetzt wird,
dann wird die Membran 1-3 durchgebogen, wodurch in dieser
mechanische Spannungen auftreten. Diese Spannungen verändern das Spektrum des vom Material ausgesandten Lumineszenzlichtes, was
in einer an sich bekannten Weise gemessen werden kann (siehe
beispielsweise din eingangs genannten Druckschriften). Der Vorteil des hier beschriebenen Sensors im Vergleich zu bekannten

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Sensoren besteht darin, daß seine Empfindlichkeit durch Wahl des Querschnittes und der Dicke der Membran T-3 beeinflußt und erheblich vergrößert werden kann. Das Substrat A kann durch sogenanntes selektives Ätzen leicht abgeätzt werden, wobei ein grosser Unterschied zwischen der fitzungsgeschwindigkeit für GaAs und Al Ga As besteht. Die Dicke d wird somit bei der Bildung der Schichten bestimmt und kann zwischen Qa. 0,3 bis 30OyUm variieren, Solche Ätzmethoden sind bereits, u.a. für die Herstellung spezieller Leuchtdioden, bekannt.

Eine Struktur, bei der hohe Empfindlichkeit mit Beständigkeit gegen große Druckstöße kombiniert ist, kann man ausgehend von den Epitaxialschichten gemäß Figur 2 schaffen. Bei der folgenden Ätzung wird zuerst das GaAs-Substrat 4 vollständig weggeätzt, nachdem die Struktur auf beispielsweise einer auf der Schicht 2 angebrachten Glasplatte befestigt wurde. Danach wird die Al Ga As-Schicht 8 unmittelbar von der Struktur ganz abgeätzt und

dann wird ein Loch in die folgende GaAs-Schicht 7 geätzt. Mit diesem Verfahren kann der Abstand d_? sehr klein gemacht werden, (was beim Zuwachs bestimmt wird), wodurch das Ausschwingen der Membran bei Druckstößen begrenzt werden kann.

Selbstverständlich kann die vorstehend beschriebene Struktur auch zur Kraftmessung verwendet werden, indem sie beispielsweise in einem dichten Raum plaziert wird, dessen Volumen durch eine äußere Kraft beaufschlagt werden kann.

Die lumineszierende Schicht 1 in den vorstehend beschriebenen Strukturen ist von Material mit niedriger Absorptionsfähigkeit

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für das Anregungs- und Lumineszenzlicht umgeben. Zwischen dem lumineszierenden Material und einer der abdeckenden Schichten kann/können außerdem eine oder mehrere weitere Schichten mit geringerer Dotierung und/oder kleinerer Dicke als die lumineszierende Schicht vorgesehen werden, wobei man den Vorteil erzielt, den man bei der in der deutschen Patentanmeldung P 31 37 389 vorgeschlagenen Konstruktion bereits erzielt, daß nämlich das Material, das die aktive Schicht umgibt, vorzugsweise mit einer Gitterkonstante gewählt wird, deren Wert so nahe wie möglich bei dem Wert der Gitterkonstante der aktiven Schicht liegt, wodurch die Rekombination in der Grenzfläche zwischen den verschiedenen Materialien begrenzt wird.

Figur 3 zeigt eine Faser 9, die an das Substrat 10 einer Struktur angeschlossen ist, und zwar in einem Loch 11, welches in dem Substrat 10 durch ätzen oder in anderer Weise angebracht worden ist. Auf dem Substrat 10 sind mindestens zwei Epitaxialschichten 12, 13 aufgebracht, von denen die Schicht 12 luminesziert. Es ist auch möglich, daß beide Schichten lumineszieren, jedoch mit verschiedenen Spektren. In der bevorzugten einfachsten Ausführungsform kann die Membran auch aus nur einer einzigen Schicht bestehen.

Bei der Lunineszenz kann es sich um Fotolumineszenz handeln, die man durch Beleuchtung der Lumineszenzschicht 12 erhält. Die Lumineszenz kann man auch in Form einer Elektrolumineszenz erhalten, wobei zwei der Halbleiterschichten einen pn-übergang bilden. Das Schichtmaterial und das Substrat können beispielsweise Al Ga₁ Äs sein.

Der Sensor kann zum Messen des absoluten Druckes gemäß Figur Aa verwendet werden, wo zwischen der Faser 14 und dem Sensor eine Glasschicht 15 angebracht ist. Diese Glasschicht begrenzt dabei in dem eingeschlossenen Hohlraum 1T ein abgeschlossenes Luftvolumen. Der zu messende Druck P kann beispielsweise auf die Membran 12, 13 wirken.

Figur Ab zeigt eine Anordnung zum Messen einer Druckdifferenz, und zwar der Differenz des Druckes P , der auf die Faser 1A wirkt, und des Druckes P„, der in Figur Ab von der rechten Seite her auf das Substrat 10 wirkt. Die Membran 12, 13 steht hierbei unter der Wirkung der Druckdifferenz P-i-P?'

Figur 5 zeigt einen Sensor mit einer Struktur, die mit einem Endanschlag 16 für die Membran versehen ist. Zwischen dem Endanschlag 16 und der Membran 17, 18 ist hierbei ein Hohlraum 19 vorhanden. Ein entsprechender Hohlraum 20 ist auf der anderen Seite der Membran 17,18 vorhanden. Die Faser 21 wird in einem im Substrat 23 vorgesehenen Loch 22 angebracht. Auch in diesem Falle werden die Membranschichten 17, 18 durch selektive fitzung hergestellt.

Figur 6a zeigt einen Sensor im Schnitt längs der Linie A - A in Figur 6b, während Figur 6b diesen Sensor von vorn zeigt. Eine Faser 2A wird an das Substrat 25 angeschlossen. Das Substrat trägt eine übliche Membran aus drei Schichten, 26, 27 und 28. Aus dieser Membran ist ein U-förmiges Teil (siehe Figur 6b) herausgeätzt. Dieser Sensor kann zum Messen einer Schwingung, Dehnung oder Kraft verwendet werden.

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Die vorstehend beschriebenen Sensoren können im Rahmen des offenbarten allgemeinen Erfindungsgedankens in vielfacher Weise variiert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Optisches Sensorelement auf Halbleiterbasis zur Erfassung physikalischer Größen, z.B. eines Druckes, das optisch angeregt wird und eine Fotolumineszenz erzeugt, die ein Maß für die zu messende Größe ist, dadurch gekenn zeichnet, daß auf einem Halbleitersubstrat (4, 10, 23), welches mit einem Loch (5, 11, 22) versehen ist, mindestens zwei Halbleiterschichten aufgetragen sind, von denen mindestens eine Schicht lumineszierend ist. und daß eine optische Faser (6, 9> 14, 21, 2A) zur Erfassung des Lumineszenzlichtes vorhanden ist. . " *

2* Optisches Sensorelement nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Halbleiterschichten (1-12, 2-13) mit untereinander verschiedenen Spektren lumineszierend sind.

3„ Optisches Sensorelement nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Halbleiterschichten (1-3) vorhanden sind, von denen mindestens eine lumineszierend ( 1 ) ist und auf einer oder beiden Seiten an eine nichtlumineszierende Halbleiterschicht grenzt, deren Gitterkonstahte einen Wert hat, der so nahe wie möglich bei dem Wert der Git- *: terkonstanten der lumineszierenden Schicht liegt. '*

A. Optisches Sensorelement nach Anspruch 3, dadurchgekennzeichnet, daß die lumineszierende Schicht mit einem Material mit geringer Absorptionsfähigkeit für das Anregungs- und Lumineszenzlicht bedeckt ist und daß zwischen dem lumineszierenden Material und einer der bedeckenden Schichten eine weitere Schicht mit geringerer Dotierung und/ oder kleinerer Dicke als die lumineszierende Schicht angeordnet ist.

5. Optisches Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lumineszenz in Form einer Fotolumineszenz durch Beleuchtung der Lumineszenzschicht erzeugt wird.

6. Optisches Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lumineszenz in Form einer Elektrolumineszenz erzeugt wird, wobei zwei der Halbleiterschichten einen pn-übergang bilden.

7. Optisches Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht und das Substrat aus Al Ga₁ As bestehen.

8. Optisches Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeic h..n e t, daß zur Messung des absoluten Druckes zwischen dem Loch im Substrat und der Faser eine Glasschicht (15) angeordnet ist, die ein abgeschlossenes Luftvolumen im Substrat einschließt.

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9. Optisches Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung einer Druckdifferenz die Faser (1A) auf der dem Substrat (10) gegenüberliegende! Seite des Sensors angebracht ist und daß auf die Faser ein Druck (P₁) und auf das Substrat ein anderer Druck (Pp) wirkt, wobei das Meßsignal ein Maß für die Druckdifferenz (P₁-P₂) ist.

10. Optisches Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Substrat (23) aufgebrachte Struktur auf einer oder beiden Seiten mit einem Endanschlag (16) für die Membran (17, 18) versehen ist, welcher/welche Endanschlag/Endanschläge durch selektive Ätzung hergestellt ist/sind.

11. Optisches Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur zur Ausätzung eines z.B. U-förmigen Teils aus der Membran (26, 27, 28) durch selektive Ätzung hergestellt ist und daß dieser Sensor zum Messen einer Schwingung, einer Dehnung und/oder einer Kraft dient.