CN102986030A - 用于感测光子的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个示例性实施例，提供一种设备，该设备包括：布置于彼此上面的多个光子感测层(111，112，113)；以及在每两个相邻感测层之间的中间层(121，122，123)，所述感测层(111，112，113)为石墨烯，并且每个中间层(121，122，123)被配置成防止光的相应颜色成分继续进入它旁边的光子感测层。

Description

用于感测光子的设备和方法
技术领域
本申请一般涉及用于感测光子的设备和方法。
背景技术
图像传感器是将光学图像转换成电信号的设备。它已经广泛使用于数码相机和其它成像设备、比如配备有相机的移动电话中。多数数码相机使用CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器或者CCD(电荷耦合器件)传感器。
发明内容
在权利要求书中阐述了本发明的示例的各种方面。
根据本发明的第一方面，提供一种设备，该设备包括：
布置于彼此上面的多个光子感测层；以及
在每两个相邻感测层之间的中间层，感测层为石墨烯，并且每个中间层被配置成防止光的相应颜色成分继续进入它旁边的光子感测层。
在一个示例性实施例中，光是指可见光、红外线和/或紫外线光。而且，颜色成分指代相应颜色成分。
在一个示例性实施例中，布置于彼此上面的多个光子感测层提供分层结构。可以形成层的堆叠物。在这样的堆叠物中，感测层和中间层的主表面彼此相向。它们可以相互接触。
在一个示例性实施例中，反射涂层呈现中间层的示例。
在一个示例性实施例中，提供基于石墨烯光检测器的相机传感器。在一个示例性实施例中，石墨烯晶体管用来检测光子。可以向作为CMOS传感器或者如同CCD传感器等类似地工作的相机传感器系统集成检测器。在一个示例性实施例中，已经观察到石墨烯的光子检测能力可以用来使用适当中间滤波层来分离不同波长，并且该结构可以用作相机传感器。
在一个示例性实施例中，提供单像素相机传感器。单个像素单元(或者光电管)获得彩色图片的每个所需颜色成分。在一个示例性实施例中，传感器包括石墨烯层和分离不同颜色成分的反射或者吸收涂层。在一个示例性实施例中，石墨烯层与反射或者吸收层的组合用来用单个光电管测量不同波长带。
在一个示例性实施例中，与使用反射和防反射涂层组合的、恰当偏置的石墨烯晶体管的检测可见光的能力用来：
-直接产生将在MPEG4压缩格式中用于照度信息的黑白图像和/或
-产生在RGB编码彩色系统中使用的红色、绿色和蓝色。
这可以实施于包括多个石墨烯层和反射(或者吸收)涂层的单个光电管中。
在一个示例性实施例中，该设备包括配置成经由反射预定颜色成分来防止预定颜色成分继续的中间层。
在一个示例性实施例中，该设备包括配置成经由吸收预定颜色成分来防止预定颜色成分继续的中间层。
在一个示例性实施例中，多个光子感测层中的至少一个光子感测层包括多个石墨烯子层或者片。换而言之，石墨烯层中的一个或者多个石墨烯层包括在彼此上面的多于一个石墨烯片(子层)。
在一个示例性实施例中，从由用于黑白图像系统的图像传感器和彩色图像系统，比如RGB编码系统的图像传感器构成的组中选择该设备。在一个示例性实施例中，提供单像素RGB传感器。
在一个示例性实施例中，该设备包括按以下顺序在彼此上面的以下层：
用于第一颜色的感测层，用于第一颜色的反射层或者吸收层，用于第二颜色的感测层，用于第二颜色的反射层或者吸收层，以及用于第三颜色的感测层。
在一个示例性实施例中，第一颜色是蓝色，第二颜色是绿色，并且第三颜色是红色。在其它实施例中，感测层(和相应反射或者吸收层)的顺序可以不同。
在一个示例性实施例中，该设备包括在第一颜色的感测层上面的防反射涂层或者层。
在一个示例性实施例中，该设备中的传感器像素由相应微透镜覆盖。
在一个示例性实施例中，该设备是手持移动通信设备，比如移动电话。在一个示例性实施例中，该设备是数码相机。在某些实施例中，该设备是数字存储相机、移动电话相机、安全相机或者嵌入式相机结构。
根据本发明的第二方面，提供一种方法，该方法包括：
提供布置于彼此上面的多个光子感测层以及在每两个相邻感测层之间的中间层，所述感测层为石墨烯；并且
每个中间层防止光的相应颜色成分继续进入它旁边的光子感测层。
在一个示例性实施例中，该方法包括：
每个中间层经由反射相应颜色成分来防止相应颜色成分继续进入它旁边的光子感测层。
在一个示例性实施例中，该方法包括：
每个中间层经由吸收相应颜色成分来防止相应颜色成分继续进入它旁边的光子感测层。
在一个示例性实施例中，该方法包括：
向多个光子感测层中的至少一个光子感测层提供多个石墨烯子层或者片。
在一个示例性实施例中，该方法包括：
提供这样一种设备，即该设备用于感测该设备中的颜色成分，该设备是从由用于黑白图像系统的图像传感器和彩色图像系统，比如RGB编码系统的图像传感器构成的组中选择的。
在一个示例性实施例中，该方法包括：
通过从由原子层沉积方法、化学气相沉积方法、旋涂方法和RF溅射方法构成的组中选择的制造方法，制造所述光子感测层和所述中间层。
在一个示例性实施例中，该方法包括：
制造堆叠结构，堆叠结构包括在彼此上面的多个层，其中这些层按照以下顺序：
用于第一颜色的感测层，用于第一颜色的反射层或者吸收层，用于第二颜色的感测层，用于第二颜色的反射层或者吸收层和用于第三颜色的感测层。颜色可以意味着颜色成分。第一颜色/颜色成分可以是蓝色，第二颜色/颜色成分可以是绿色，并且第三颜色/颜色成分可以是红色。在其它实施例中，感测层(和相应反射或者吸收层)的顺序可以不同。
在一个示例性实施例中，该方法包括在第一颜色的感测层上面制造防反射涂层或者层。
在一个示例性实施例中，该方法包括通过相应微透镜覆盖传感器像素。
已经在前文中举例说明本发明的不同非限制示例方面和实施例。上述实施例仅用来说明可以在本发明的实施方式中利用的所选方面或者步骤。可以仅参照本发明的某些示例方面呈现一些实施例。应当理解的是，对应实施例也可以适用于其它示例方面。可以形成实施例的任何适当组合。
附图说明
为了更完整理解本发明的示例性实施例，现在参照与以下附图结合进行的下文描述：
图1示出了根据本发明一个示例性实施例的光子感测结构；
图2示出了根据本发明一个示例性实施例的结构中的反射；
图3示出了根据本发明一个示例性实施例的结构的侧视图；
图4示出了根据本发明一个示例性实施例的像素单元的俯视图；
图5示出了根据本发明一个示例性实施例的像素单元的替代俯视图；
图6示出了根据本发明一个示例性实施例的接触；
图7示出了根据本发明一个示例性实施例的透镜布置；
图8示出了根据本发明一个示例性实施例的光子感测结构；
图9示出了根据本发明一个示例性实施例的设备的示例框图；并且
图10示出了大致流程图，该流程图示出了根据本发明一个示例性实施例的方法。
具体实施方式
通过参照附图1的图1至图10来理解本发明的示例性实施例及其潜在优点。在以下描述中，相似标号表示相似单元。
石墨烯在可见光、红外线和紫外线频率中有效吸收光子。使用石墨烯作为光子检测器是基于如下观察：石墨烯在整个可见光光谱中非常均匀地吸收光。可以向与CMOS传感器或者如同CCD传感器等相似地工作的相机传感器系统集成石墨烯光子检测器。
图1示出了根据本发明一个示例性实施例的光子感测结构。在顶部上，该结构包括用于所有颜色成分的防反射涂层101。在该层以下，该结构包括由石墨烯制成的第一感测层111。
在层111以下，该结构包括用于第一颜色成分的反射涂层或者层121(下文称为第一反射涂层121)。第一反射涂层121使其它颜色成分通过，但是反射第一颜色成分。在这一实施例中，第一颜色成分是蓝色。在第一反射涂层121以下，该结构包括由石墨烯制成的第二感测层112。
在层112以下，该结构包括用于第二颜色成分的反射涂层或者层122(下文称为第二反射涂层122)。第二反射涂层122使其它颜色成分通过，但是反射第二颜色成分。在这一实施例中，第二颜色成分是绿色。在第二反射涂层122以下，该结构包括由石墨烯制成的第二感测层113。
在层113以下，该结构可选地包括用于第三颜色成分的反射涂层123(第三反射涂层123)。在这一实施例中，第三颜色成分是红色。然而应当注意的是，可以选择滤色器(层121-123)的顺序不同于上文呈现的顺序。
在底部上，有如下层102，该层包括放大器、逻辑和接线以形成这样已知的像素结构。接线由图1中的接线131描绘。在一个替代实施例中，逻辑等可以放置到像素单元的边缘。
关于当前实施例中的光子感测操作，注意实际上所有传入光子(或者传入光)进入第一感测层111。然后实际上通过从第一感测层111获得的信号减去从第二和第三感测层112-113获得的信号，获得蓝色成分。对应地，由于除了蓝色成分之外的所有颜色成分进入第二感测层112，所以可以通过从第二感测层112获得的信号减去从第三感测层113获得的信号，获得绿色成分。而且，从第三感测层113获得的信号直接获得红色成分。
在仅希望有黑白图片的情况下，第一感测层111可以用来获得黑白图片，换而言之，获得照度信息等而无须计算。
另外，该构思也可以使用于其它频率，比如红外线和紫外线中。
图2示出了根据一个示例性实施例的图1的结构中的反射。
希望数目的石墨烯片可以制作于彼此上面。在一个示例性实施例中，第一层111中的石墨烯片数目是4，第二感测层112中的石墨烯片数目是4，并且第三感测层113中的石墨烯数目是10。然而，可以变化每层中的石墨烯片数目以优化性能。每个石墨烯片通常吸收用于每个颜色成分的传入光子的约2，3％。
用于石墨烯片的一种适当制作方法例如是CVD(化学气息沉积)方法。替代地，可以使用任何其它适当方法。可以使用制作的石墨烯片作为下一石墨烯片可以沉积于其上的衬底。
在不同颜色成分之间的色分离由反射层(反射涂层121-123)的质量确定，并且可以通过适当选择反射涂层121-123的厚度和反射系数来实现。
可以根据斯涅尔定律，计算针对给定的入射角θ1从多层反射的光的波长(颜色)：
n1·sinθ1＝n2·sinθ2
其中n1和n2是介质折射率，并且θ2是折射角。
对于任何反射，可以根据下式计算反射波长λ：
λ＝2·(n1·d1·cosθ1+n2·d2·cosθ2)
其中d1和d2是介质厚度。
当n1·d1·cosθ1＝n2·d2·cosθ2时，那么λ＝4·n1·d1·cosθ1，这给出最大反射。然后将存在着针对该波长的构造干扰。
在一个示例性实施例中，选择介质厚度和反射系数，从而将在希望的波长存在着针对反射光的构造干扰，而针对其它波长存在着透射。反射涂层121-123中所用材料和厚度依赖于实施方式。在某些实施例中，第二反射(绿色)涂层122的厚度例如可以约为300nm。
适用反射涂层的某些示例是TiO2和ZnO层，以及薄膜聚合物层，比如聚苯乙烯或者聚四氟乙烯层。替代地，可以使用基于纳米粒子的吸收材料。适当制作方法例如是旋涂、ALD(原子层沉积)方法和RF溅射。
在图2中呈现的实施例中，第一反射涂层121从传入光181反射蓝色成分181’的波长范围。第二反射涂层122从传入光182(第一反射涂层121已经从该传入光反射蓝色成分)反射绿色成分182’的波长范围。而且，可选第三反射涂层123从传入光183(第一和第二反射涂层121和122已经从该传入光反射蓝色和绿色成分)反射红色成分183’的波长范围。使用反射涂层121-123基本上倍增光检测效率，因为然后也可以使用反向反射的信号。
图3示出了根据本发明一个示例性实施例的结构的侧视图。该结构覆盖一个像素单元。像素单元的尺寸可以例如是1μm×1μm。例如对于12M传感器，可以有布置于阵列中的3000×4000个这样的像素单元。图3中所示像素单元包括两个源极电极S1、S2和一个漏极电极D。在一个实施例中，与每个石墨烯层111-113的接触341-343、341’-343’和341”-343”由金属制成。如在前文中提到的那样，层102包括用于形成像素结构的放大器、逻辑和接线。接线由图3中的接线131-133描绘。
图4图示了根据本发明一个示例性实施例的像素单元的俯视图。示出了石墨烯晶体管的电极S1、D和S2。在图4中所示实施例中，电极是直电极。
可以通过调节像素单元的几何形状和结构，例如通过以下操作来优化光子向电流的转换效率：
-使在电极之间的沟道短而宽；和/或
-在相同像素单元中制成多个源极和漏极电极。
可以通过使像素单元更小来减少传感器中的噪声电平。
图5示出了根据本发明一个示例性实施例的像素的替代俯视图。在这一实施例中，形成源极和漏极电极S1、S2、D1和D2作为交指型图案以高效覆盖像素区域。
在一个示例性实施例中，可以通过用无需外部偏置(“零偏置操作”)的方式对电极的掺杂效果来恰当偏置传感器。在实践中，可能通过使用零或者很小源极-漏极电压来实际地消除漏电流。然后，源极和漏极金属接触的掺杂效果所生成的电势差用来向源极和漏极电极驱动光子生成的电子和空穴，用以进一步放大。
图6示出了根据本发明一个示例性实施例的接触。与每层的源极和漏极金属电极的接触341-343在像素的边缘上。可以通过沉积金属和电介质651-653来逐层制作接触341-343。更具体而言，可以通过先沉积金属层，将它蚀刻成希望的形状，然后沉积电介质，蚀刻它并且在已经制作所有三个接触之后继续，制作与每个石墨烯层111-113的接触341-343。在图6中也可见在层102的接线634。虽然在图6中未示出，但是接线643通常应当具有与相应接触的连接。
图7示出了根据本发明一个示例性实施例的透镜布置。通常希望入射角低以例如避免全反射。可以通过使用适当透镜布置来实现低入射角。图7示出了微透镜阵列，在该阵列中，每个像素传感器791由相应微透镜792覆盖。微透镜792向像素单元收集光子。以这一方式，可以使用超薄微透镜结构而不是多透镜结构。在一个实施例中，微透镜大于像素单元的沟道区域。以该方式，将例如存在着用于每个像素的石墨烯晶体管电路的更多空间。如果希望使入射角在整个像素传感器阵列内恒定，则可以使用用于每个像素传感器的微透镜阵列与宽物镜的组合。
图8示出了根据本发明另一示例性实施例的光子感测结构。图8的光子感测结构除了在光子感测层之间的中间层吸收相应颜色成分而不是基本上反射颜色成分之外，在别的方面对应于图1的光子感测结构。
因而在顶部上，该结构包括用于所有颜色成分的防反射涂层101。在该层以下，该结构包括由石墨制成的第一感测层111。
在层111以下，该结构包括用于第一颜色成分的吸收体层(下文称为第一吸收体层821)。第一吸收体层821使其它颜色成分通过、但是吸收第一颜色成分。在这一实施例中，第一颜色成分同样是蓝色。在第一吸收体层821以下，该结构包括由石墨烯制成的第二感测层112。
在层112以下，该结构包括用于第二颜色成分的吸收体层(下文称为第二吸收体层822)。第二吸收体层822使其它成分通过、但是吸收第二颜色成分。在这一实施例中，第二颜色成分同样是绿色。在第二吸收体层822以下，该结构包括由石墨烯制成的第三感测层113。
在层113以下，该结构可选地包括用于第三颜色成分的吸收体层823(第三吸收体层823)。在这一实施例中，第三颜色成分同样是红色。然而应当注意的是，可以选择滤色器(层821-823)的顺序不同于上文呈现的顺序。
在底部上，存在着如下层102(在图8中未示出)，该层包括放大器、逻辑和接线以形成像素结构。在一个替代实施例中，逻辑等可以放置到像素单元的边缘。吸收体层821-823中所用材料依赖于是实施方式。
正如在前述实施例中一样，在图8中呈现的实施例中，每个石墨烯片通常吸收用于每个颜色成分的传入光子的约2，3％。第一吸收体层821从传入光881吸收蓝色成分的波长范围。第二吸收体层822从传入光882(第一吸收体层821已经从该传入光吸收蓝色成分)吸收绿色成分的波长范围。而且，可选第三吸收体层823从传入光883(第一和第二吸收体层821和822已经从该传入光吸收蓝色和绿色成分)吸收红色成分的波长范围。
层111和112中的石墨烯片数目在示例实施方式中是12，并且层113中的石墨烯片数目是20。然而，每层中的石墨烯片数目可以变化以优化性能。
关于当前实施例中的光子感测操作，与结合图1的说明相似，实际上所有传入光子(或者传入光)进入第一感测层111。然后，实际上通过从第一感测层111获得的信号减去从第二和第三感测层112-113获得的信号，获得蓝色成分。对应地，由于除了蓝色成分之外的所有颜色成分进入第二感测层112，所以通过从第二感测层112获得的信号减去从第三感测层113获得的信号，获得绿色成分。而且，从第三感测层113获得的信号直接获得红色成分。
而且，在仅希望有黑白图片的情况下，第一感测层111可以用来获得黑白图片，换而言之，获得照度信息等而无须计算。
另外，该构思也可以使用于其它频率，比如红外线和紫外线中。
图9示出了根据本发明一个示例性实施例的设备900的示例框图。
设备900包括配置成存储包括计算机程序代码950的计算机程序或者软件的至少一个非易失性存储器940。设备900还包括用于使用计算机程序代码950来控制设备900的操作的至少一个处理器920，用于至少一个处理器920运行计算机程序代码950的工作存储器，以及可选地用于与其它实体或者设备通信的输入/输出系统970。因而，输入/输出系统970(如果存在)则包括提供朝着通信网络和/或朝着另一设备的通信接口的一个或者多个通信单元或者模块。设备900包括让用户能够使用设备的用户接口960。
设备900还包括相机模块980。相机模块980包括在示例性实施例中描述的光子感测结构。相机模块980连接到至少一个处理器920。它可以由至少一个处理器920控制。取而代之或者除此之外，相机模块980可以包括它自己的处理器，该处理器控制它的操作或者整个设备900的操作。根据设备是否为容纳相机的移动通信设备或者例如仅为数码相机，设备的结构可以不同于图9中呈现的结构。在实际实施方式中可以省略一个或者多个块和/或可以添加一个或者多个附加块。
图10是示出了根据本发明一个示例性实施例的方法的流程图。在第一步骤(步骤1001和1002)中，该方法包括提供布置于彼此上面的多个光子感测层和中间层，其中光子感测层为石墨烯。步骤1001和1002未必反映在步骤之间的任何时间顺序。在现实中，当例如制作结构时，可以交替地重复步骤1001和1002，从而产生其中光子感测层和中间层交替的堆叠物。所得结构使得每个中间层防止相应颜色成分继续进入它旁边的光子感测层(步骤1003)。中间层可以通过吸收颜色成分或者通过反射颜色成分来防止它继续。
其它实施例：
在一个示例性实施例中，可以通过将在电极之间的沟道掺杂成部分n型和部分p型来增强在前文中描述的零偏置操作。也可以选择金属接触，从而增强掺杂效果、也就是说，通过选择与源极和漏极电极的具有不同功函数的不同金属。
在一个示例性实施例中，可以在进一步发送从像素单元获得的信号或者数据之前立即使用任何适当压缩算法来压缩它。例如可以仅存储与邻近单元值相比的差值。
在一个示例性实施例中，使用相关双采样技术。出于该目的，可以向每个像素单元添加测量(或者传递)晶体管。
在一个示例性实施例中，可以通过使用石墨烯晶体管或者与在背面照射的CMOS传感器中相似的传统CMOS技术来实施放大器。
不以任何方式限制所附权利要求的范围、解释或者应用，在下文中列举这里公开的示例性实施例中的一个或者多个示例性实施例的某些技术效果：一个技术效果是单像素解决方案而不是具有用于感测不同波长频带的并行单独像素。当仅需一个像素用于色分量时，一个技术效果是与某些其它传感器相比的改进色分离。另一技术效果是在整个可见光光谱中的相当均匀光子吸收。又一技术效果是制作起来简单的传感器结构以及用于石墨烯和中间层的低材料成本。又一技术效果是石墨烯是提供某些设计优点的柔性材料。又一技术效果是快速光响应。快速响应时间可以减少功率消耗并且给出用于处理数据的更多时间。
前文描述已经通过本发明具体实施方式和实施例的非限制示例提供对发明人当前设想的用于实现本发明的最佳实施方式的完全而又启发的描述。然而，本领域技术人员清楚本发明不限于上文呈现的实施例的细节，但是它可以实施于使用等效手段的其它实施例中或者实施例的不同组合中而未脱离本发明的特点。
如果希望，则可以按不同顺序和/或相互并行执行这里讨论的不同功能。另外，如果希望，则上文描述的功能中的一个或者多个功能可以是可选的。
另外，本发明的上文公开的实施例特征中的一些特征在未对应使用其它特征时仍然可以被有利地使用。这样，前文描述应当视为仅举例说明而不是限制本发明的原理。

Claims (18)

1.一种设备，包括：
布置于彼此上面的多个光子感测层；以及
在每两个相邻感测层之间的中间层，所述感测层为石墨烯，并且每个中间层被配置成防止光的相应颜色成分继续进入它旁边的光子感测层。
2.根据权利要求1所述的设备，包括：
所述中间层被配置成经由反射预定颜色成分来防止所述预定颜色成分继续。
3.根据权利要求1所述的设备，包括：
所述中间层被配置成经由吸收预定颜色成分来防止所述预定颜色成分继续。
4.根据任一前述权利要求所述的设备，其中从由以下传感器构成的组中选择所述设备：
用于黑白图像系统的图像传感器，以及比如RGB编码系统的彩色图像系统的图像传感器。
5.根据权利要求1或者4所述的设备，包括按照以下顺序在彼此上面的以下层：
用于第一颜色的感测层，用于所述第一颜色的反射层或者吸收层，用于第二颜色的感测层，用于所述第二颜色的反射层或者吸收层，以及用于第三颜色的感测层。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述第一颜色是蓝色，所述第二颜色是绿色，并且所述第三颜色是红色。
7.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述多个光子感测层中的至少一个光子感测层包括多个石墨烯子层。
8.根据任一前述权利要求所述的设备，其中传感器像素由相应微透镜覆盖。
9.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述设备是手持移动通信设备。
10.一种方法，包括：
提供布置于彼此上面的多个光子感测层以及在每两个相邻感测层之间的中间层，所述感测层为石墨烯；并且
通过每个中间层防止光的相应颜色成分继续进入它旁边的光子感测层。
11.根据权利要求10所述的方法，包括：
通过每个中间层经由反射相应颜色成分来防止所述相应颜色成分继续进入它旁边的光子感测层。
12.根据权利要求10所述的方法，包括：
每个中间层经由吸收相应颜色成分来防止所述相应颜色成分继续进入它旁边的光子感测层。
13.根据权利要求10-12中的任一权利要求所述的方法，包括：
提供这样一种设备，即所述设备用于感测所述设备中的颜色成分，所述设备是从由以下传感器构成的组中选择的：
用于黑白图像系统的图像传感器，以及比如RGB编码系统的彩色图像系统的图像传感器。
14.根据权利要求10或者13所述的方法，包括：
制造堆叠结构，所述堆叠结构包括在彼此上面的多个层，其中这些层按照以下顺序：
用于第一颜色的感测层，用于所述第一颜色的反射层或者吸收层，用于第二颜色的感测层，用于所述第二颜色的反射层或者吸收层，以及用于第三颜色的感测层。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一颜色是蓝色，所述第二颜色是绿色，并且所述第三颜色是红色。
16.根据权利要求10-15中的任一权利要求所述的方法，包括：
向所述多个光子感测层中的至少一个光子感测层提供多个石墨烯子层。
17.根据权利要求10-16中的任一权利要求所述的方法，包括：
通过从由原子层沉积方法、化学气相沉积方法、旋涂方法和RF溅射方法构成的组中选择的制造方法，制造所述光子感测层和所述中间层。
18.根据权利要求10-17中的任一权利要求所述的方法，包括：
通过相应微透镜覆盖传感器像素。
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