CN103378107A - 用于光谱测定应用的光电池器件和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于光谱测定应用的光电池器件和方法。实施例涉及光电池器件。在实施例中，光电池器件包括具有不同光学厚度且其下方有光电二极管的透射层的阵列。透射层可以包括两种不同材料，例如氮化物和氧化物，这两种不同材料以类似镶嵌的方式、利用不同的成比例的区域密度来覆盖每个二极管。实施例提供了相比于传统器件的优势，这些优势包括：它们可以被集成至标准CMOS工艺中，并因此在生产上更简单且更便宜。
Description
技术领域
本发明总体涉及光电池，并且更具体地，涉及用于对光信号的光谱测定检测的光电池器件。
背景技术
在许多消费者和工业应用中，期望或需要分析输入光的光谱组成。光谱的紫外（UV）、近红外和可见部分通常具有最高关注。一种示例应用是UV传感器，其可以置于移动电话或其他设备上或集成在移动电话或其他设备中，以在人已经在特定时间中暴露于特定级别的UV辐射的情况下提供警报。一些这样的传感器可能在配置和操作上较复杂（例如，与其他系统（例如GPS和天气）对接），而其他这样的传感器更不完善并且仅提供与光谱分布有关的信息。
然而，传统传感器在生产上较复杂。这些传感器通常需要多个不同光谱响应，以测量输入光的多个不同部分。然而，多个光谱响应在半导体制造期间需要多个光刻过程，这是昂贵的。
因此，需要改进的光电池。
发明内容
实施例涉及光电池器件，例如光谱仪。
在实施例中，一种光电池器件，包括：第一光电二极管，包括具有第一光学厚度的透射层（transmission layer）；以及第二光电二极管，包括具有与所述第一光学厚度不同的第二光学厚度的透射层。
在实施例中，一种方法，包括：提供包括光电二极管的阵列的光谱仪，所述阵列的第一光电二极管具有第一光学厚度，并且所述阵列的第二光电二极管具有与所述第一光学厚度不同的第二光学厚度。
附图说明
在结合附图考虑本发明的各个实施例的以下详细描述的情况下，可以更全面地理解本发明，在附图中：
图1A是根据实施例的光电二极管器件的侧视图。
图1B是图1A的光电二极管器件的俯视图。
图2A是根据实施例的光电二极管器件的侧视图。
图2B是图2A的光电二极管器件的俯视图。
图3是根据实施例的光电二极管器件的俯视图。
图4是根据实施例的光电二极管器件的俯视图。
图5示出了根据实施例的透射、测试和重新计算的光谱的曲线图。
本发明接受各种修改和替换形式，而在附图中作为示例示出了本发明的细节，并将详细描述这些细节。然而，应当理解，并不意在将本发明限于所描述的特定实施例。相反，意在覆盖落在如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同替换和替换方案。
具体实施方式
实施例涉及光电池器件，例如光谱仪。在实施例中，光电池器件包括二极管的阵列，每个二极管具有透射层，所述透射层具有不同光学厚度。透射层可以包括两种不同材料，例如氮化物和氧化物，这两种不同材料以类似镶嵌（damascene-like）的方式或其他方式、利用不同的成比例的区域密度（area density）来覆盖每个二极管。实施例提供了相比于传统器件的优势，这些优势包括：它们可以被集成至标准CMOS工艺中，并因此在生产上更简单且更便宜。
在实施例中，光电池器件包括单独光电二极管的阵列，例如在实施例中，约10个至约100个光电二极管，不过其他实施例可以包括更少（例如，仅2个）或多于100个。每个光电二极管包括p-n结，使得所有光电二极管具有相同的内部光谱响应。然而，在实施例中，通过介电层的组合在可从二极管到二极管变化的p-n结部分之上施加光限制。
可以通过测量具有不同光谱响应的光电二极管的光电流来计算光的输入光谱。可以通过在每个光电二极管上具有不同层厚度或材料的不同组合或者这两者来调整光谱响应。在另一实施例中，可以通过在每个二极管的表面上具有一种或多种材料的不同横向（lateral）组合来调整光谱响应，其中，横向参照该表面。
参照图1，示出了光电二极管100，其中，图1A中的是侧视图，并且图1B中的是俯视图。光电二极管100包括p-n结部分102和透射或介电层部分104。P-n结部分102包括基极106和发射极108。介电层部分104包括第一材料110和第二材料112。在一个实施例中，第一材料和第二材料分别是氧化物和氮化物，不过在其他实施例中，可以使用其他材料及其组合。例如，在一个实施例中，材料之一可以是空气、碳化硅、非晶硅和/或多晶硅，而在另一实施例中，使用多于两种材料和/或空气。
在图2中示出了另一光电二极管200。光电二极管200也包括p-n结部分202和介电层部分204，其中，p-n结部分202包括基极206和发射极208。介电层部分204还包括第一材料210和第二材料212。
介电层部分104所具有的更多的是第一材料110，而介电层部分204所具有的更多的是第二材料212，但是，每个二极管100和200的大小和厚度是相同的。在包括光电二极管100和200的光电二极管的阵列中，其中，该阵列可以包括数十、数百或更多个光电二极管（例如，光电二极管100和200），每个光电二极管可以具有不同的介电层配置。例如，第一光电二极管可以具有大致75%第一材料和25%第二材料的介电层，并且为约100纳米（nm）厚，而相邻光电二极管可以具有大致60%第一材料和40%第二材料的介电层，并且也为约100 nm厚，依此类推，其中，100 nm仅为合适厚度的示例，并且所给出的特定百分比仅为示例，而不必指示相邻光电二极管中的成分差异。例如，具有75/25介电层的光电二极管可以与具有70/30介电层的光电二极管相邻。然而，一般地，该阵列的光电二极管具有相同几何厚度，同时也具有不同光学厚度（例如，100 nm厚的氮化物，作为具有指数1.96的密集光学材料，与约140 nm厚的氧化物起类似作用，其中，氧化物具有更低指数1.46）。
介电层部分104/204无需包括镶嵌结构或者材料110/210和112/212的条带，如图1和2中那样。图3和4示出了其他实施例，其中，介电层部分304/404包括第一材料310/410和第二材料312/412的“乳酪（cheesing）”配置。在其他实施例中，还可以实现多种材料和/或空气的其他配置。
图5示出了光电二极管的6x6阵列的透射光谱和四个测试光谱的重新计算。所示出的波长为约200 nm至约1200 nm。甚至对于36个二极管的相对较小的阵列，针对所有光谱在约300 nm至约400 nm的UV范围内示出了良好结果。
于是，在使用中，光电二极管的阵列中的每个二极管生成光电流ci。该电流是二极管的归一化光谱响应gi(lambda)与入射光的光谱S(lambda)的卷积。光谱响应依赖于二极管之上的透射滤光器的堆叠，并且透射滤光器是经过调制的并且从二极管到二极管不同。利用加权因子fi对归一化光谱响应gi(lambda)的叠加提供了入射光谱的重构S_estimate(lambda)，其中：
S_estimate(lambda)=sum_i(fi/gi(lambda))。
对于具有标准正交基函数gi的实施例，加权因子是光电流ci。一般地，通过使用变换矩阵M来计算加权函数，其中，f=M*c。该变换矩阵是通过对归一化光谱响应gi(lambda)的卷积进行伪逆运算(pseudo-inversion)来导出的。在实施例中，近似的质量强烈地依赖于光电二极管的数目和其光谱响应gi(lambda)的形状，其中，其光谱响应gi(lambda)的形状依赖于形成透射滤光器的堆叠。在理想情况下，存在具有线性无关的光谱响应函数的无穷多个光电二极管。在其他实施例中，还可以使用其他光谱计算方法或者这些光谱计算方法上的变型。
实施例提供了许多优势。首先，可以将制造与标准CMOS工艺相结合，并且可以在单个衬底上形成多个光电二极管或光电二极管的阵列。因此，实施例在生产上更简单且更便宜。此外，与诸如堆叠二极管之类的传统技术相比，可以提供对光谱的更精确估计。
本文描述了系统、器件和方法的各个实施例。这些实施例仅作为示例而给出，并不意在限制本发明的范围。此外，应当意识到，可以以各种方式将已描述的实施例的各个特征进行组合，以产生许多附加实施例。此外，尽管已经描述各种材料、尺寸、形状、配置和位置等以与所公开的实施例一起使用，但是在不超出本发明的范围的前提下，可以利用除所公开的内容外的其他内容。
本领域技术人员将认识到，本发明可以包括比上述任何单独实施例中所示意更少的特征。本文描述的实施例并不意在作为对可将本发明的各个特征进行组合的方式的穷举呈现。相应地，实施例是特征的非互斥组合；更确切地，如本领域技术人员所理解，本发明可以包括从不同单独实施例选择的不同单独特征的组合。
以上通过引用文档的任何并入被限制为使得未并入与本文的显式公开相反的主题。以上通过引用文档的任何并入被进一步限制为使得本文未通过引用并入文档中包括的权利要求。以上通过引用文档的任何并入又被进一步限制为使得本文未通过引用并入文档中提供的任何定义，除非本文明确包括。
出于解释本发明的权利要求的目的，所明确预期的是，不应援引35 U.S.C的第112节第六段的规定，除非在权利要求中记载了具体术语“用于……的装置”或“用于……的步骤”。
Claims (25)
1.一种光电池器件，包括：
第一光电二极管，包括具有第一光学厚度的透射层；以及
第二光电二极管，包括具有与所述第一光学厚度不同的第二光学厚度的透射层。
2.根据权利要求1所述的光电池器件，其中，所述光电池器件包括光电二极管的阵列，所述阵列包括所述第一和第二光电二极管。
3.根据权利要求2所述的光电池器件，其中，所述第一和第二光电二极管在所述阵列中彼此相邻。
4.根据权利要求1所述的光电池器件，其中，所述第一光电二极管的透射层或所述第二光电二极管的透射层中的至少一个包括多种材料。
5.根据权利要求4所述的光电池器件，其中，所述多种材料包括氧化物和氮化物。
6.根据权利要求4所述的光电池器件，其中，所述多种材料包括空气以及氧化物或氮化物中的至少一个。
7.根据权利要求4所述的光电池器件，其中，所述第一光电二极管的透射层的多种材料中的每一种的比例不同于所述第二光电二极管的透射层的多种材料中的每一种的比例。
8.根据权利要求4所述的光电池器件，其中，所述多种材料布置在镶嵌结构中。
9.根据权利要求4所述的光电池器件，其中，所述多种材料布置在乳酪结构中。
10.根据权利要求1所述的光电池器件，其中，所述第一光电二极管的几何厚度与所述第二光电二极管的几何厚度相同。
11.根据权利要求1所述的光电池器件，其中，所述第一光电二极管的透射层是在第一基层结构上形成的，并且所述第二光电二极管的透射层是在第二基层结构上形成的。
12.根据权利要求11所述的光电池器件，其中，所述第一和第二基层结构相同。
13.根据权利要求11所述的光电池器件，其中，所述第一和第二基层结构包括p-n结。
14.根据权利要求13所述的光电池器件，其中，所述p-n结包括基极和发射极。
15.一种方法，包括：
提供包括光电二极管的阵列的光谱仪，所述阵列的第一光电二极管具有第一光学厚度，并且所述阵列的第二光电二极管具有与所述第一光学厚度不同的第二光学厚度。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：形成所述第一和第二光电二极管，使得每一个光电二极管包括具有不同光学厚度的介电层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，形成所述第一和第二光电二极管包括：利用CMOS工艺。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，形成所述第一和第二光电二极管包括：在第一基层结构上形成所述第一光电二极管的介电层，以及在第二基层结构上形成所述第二光电二极管的介电层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一和第二基层结构中的每一个包括p-n结。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，形成所述第一和第二光电二极管包括：形成至少两种物质的每个介电层。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少两种物质选自由以下各项构成的组：氮化物、氧化物、碳化硅、非晶硅、多晶硅和空气。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，形成每个介电层包括：将所述至少两种物质布置在镶嵌结构中。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，形成每个介电层包括：将所述至少两种物质布置在乳酪结构中。
24.根据权利要求15所述的方法，还包括：形成光电二极管的阵列，使得所述第一和第二光电二极管彼此相邻。
25.根据权利要求15所述的方法，其中，所述光电二极管的阵列包括多个光电二极管。
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