CN103384915B - 光子的感测 - Google Patents

Abstract

根据本发明的示例实施例，提供了一种设备，该设备包括具有一个或多个石墨烯光子感测层的光电探测结构；以及配置成用作所述光电探测结构的前置放大器的集成石墨烯场效应晶体管，其中所述石墨烯场效应晶体管垂直集成到所述光电探测结构。

Description

光子的感测

技术领域

本申请总体上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。其在数字摄像机和其它成像装置（诸如装备了摄像机的移动电话）中已经广泛使用。大多数数字摄像机使用CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器或CCD（电荷耦合器件）传感器。

发明内容

石墨烯在可见频率、红外频率和紫外频率内有效吸收光子。将石墨烯用作光电探测器是基于这样的观察：石墨烯在整个可见光谱内非常均匀地吸收光。石墨烯光电探测器可以集成到类似于CMOS传感器或像CCD传感器等那样工作的摄像机传感器系统中。

在权利要求中阐述了本发明各实例的各方面。

根据本发明的第一方面，提供了一种设备，该设备包括：

具有一个或多个石墨烯光子感测层的光电探测结构；以及

配置成用作所述光电探测结构的前置放大器的集成石墨烯场效应晶体管，其中所述石墨烯场效应晶体管垂直集成到所述光电探测结构。

此处的术语垂直集成用于区别于现有技术方案，在现有技术方案中放大器被水平集成到像素的侧面。垂直集成意思是在垂直方向上集成。当光电探测结构和放大器层在集成电路中彼此叠置地被制造或放置时，它们被垂直集成。此处的垂直集成可以指垂直于光电探测结构或层的方向，换而言之，垂直于光电池/像素的方向。

在一个示例性实施例中，提供了一种石墨烯光电信号前置放大器。在一个示例性实施例中，光电信号前置放大器集成到所述设备的光电探测层或结构中使得它们位于光电探测层或结构之间。

在一个示例性实施例中，所述光电探测结构配置成将光子转化成电信号，并且所述前置放大器配置成放大该信号。

在一个示例性实施例中，所述前置放大器是电荷敏感的电荷到电压转换前置放大器。

在一个示例性实施例中，所述设备在堆叠结构中包括：

所述（一个或多个）光电感测层；以及

所述（一个或多个）光子感测层上的所述前置放大器。

在一个示例性实施例中，所述设备包括彼此叠置的多个层，每个层包括所述光电探测结构和所述垂直集成的石墨烯场效应晶体管。所述多个层例如可以通过颜色或颜色成分过滤层分开。

在一个示例性实施例中，所述设备包括第一光电探测层和垂直集成到第一光电探测层的第一放大器层，它们位于第二光电探测层和垂直集成到第二光电探测层的第二放大器层顶上。

在一个示例性实施例中，该设备包括层叠结构，该层叠结构包括位于第二光电探测层和第二放大器层顶上的第一光电探测层和第一放大器层，所述第一和第二光电探测层和放大器层位于第三光电探测层和第三放大器层顶上。

在一个示例性实施例中，该设备配置成：

通过第一光电探测结构或层探测并且通过垂直集成到所述第一光电探测结构或层的第一前置放大器放大具有多种颜色成分的光的光子；以及

通过位于所述第一光电探测结构或层下方的第二光电探测结构或层探测并且通过位于所述第一光电探测结构或层下方的第二前置放大器放大所述颜色成分中的至少一种被颜色成分过滤层过滤的被颜色过滤的光的光子。

在一个示例性实施例中，所述光电探测结构包括源电极和漏电极，所述源电极和漏电极配置成用作所述石墨烯场效应晶体管的栅极。在一个示例性实施例中，所述源电极和漏电极配置成用作所述石墨烯场效应晶体管的顶栅。

在一个备选实施例中，所述光电探测结构包括配置成用作所述石墨烯场效应晶体管的栅极（例如，顶栅）的源电极，并且由所述光电探测结构所包括的漏电极连接到地。它可以直接连接到信号地。

在一个备选实施例中，所述光电探测结构包括配置成用作所述石墨烯场效应晶体管的栅极（例如，顶栅）的漏电极，并且由所述光电探测结构所包括的源电极连接到地。它可以直接连接到信号地。

在一个示例性实施例中，该设备包括作为所述石墨烯场效应晶体管的沟道的石墨烯纳米带。在一个示例性实施例中，所述石墨烯纳米带由单层或双层石墨烯构成。

在一个示例性实施例中，该设备包括在放大器层中实现的所述石墨烯场效应晶体管，并且另外包括集成到所述放大器层中用于在需要时复位所产生的电荷的复位晶体管。

在一个示例性实施例中，所述设备选自包括下述的组：用于黑白图像系统的图像传感器、以及诸如RGB编码的系统的彩色图像系统的图像传感器。在一个示例性实施例中，该设备是用于图像感测装置的基于石墨烯的电路。

在一个示例性实施例中，该设备是诸如移动电话的手持移动通信装置。在一个示例性实施例中，该设备是数字摄像机。在特定实施例中，该设备是数字存储摄像机、移动电话摄像机、安全摄像机或者嵌入的摄像机结构。

根据本发明的第二方面，提供了一种方法，该方法包括：

在具有一个或多个石墨烯光子感测层的光电探测结构中检测光子；以及

在用作该光电探测结构的前置放大器的石墨烯场效应晶体管中放大由该光电探测结构产生的光电流，其中该石墨烯场效应晶体管垂直集成到所述光电探测结构。

所述光电流的意思是由光子在（一个或多个）光子感测层中产生的电流。

在一个示例性实施例中，石墨烯FET前置放大器集成到基于石墨烯的光电探测器中。形成石墨烯光电探测器和石墨烯FET的组合。在一个示例性实施例中，在光子感测石墨烯层之间以及在结构性颜色反射过滤元件之间应用透明的前置放大器层。在一个示例性实施例中，前置放大器的位置最终接近光吸收电池（（一个或多个）光子感测石墨烯层）的位置。在一个示例性实施例中，使用与光吸收电池相同的工艺制造前置放大器。在一个示例性实施例中，使用与光吸收电池相同的材料--石墨烯--制造前置放大器。

在一个示例性实施例中，所述方法包括提供堆叠结构，该堆叠结构包括：

所述（一个或多个）光电感测层；以及

所述（一个或多个）光子感测层上的所述前置放大器。

在一个示例性实施例中，所述方法包括在提供用于一种颜色或一组颜色的所述堆叠结构，该堆叠结构位于另一种颜色或另一组颜色的对应的堆叠结构顶上。

在一个示例性实施例中，该方法包括：

使用包含在所述光电探测结构中的源电极和漏电极作为所述石墨烯场效应晶体管的栅极。

在一个示例性实施例中，该方法包括使用石墨烯纳米带作为所述石墨烯场效应晶体管的沟道。

在一个示例性实施例中，该方法包括在放大器层中集成复位晶体管，所述石墨烯场效应晶体管也在该放大器层实现。

在一个示例性实施例中，该方法包括：

通过化学气相沉积制造具有一个或多个石墨烯光子感测层的所述光电探测结构和所述垂直集成的石墨烯场效应晶体管。在一个示例性实施例中，通过在一结构中对光进行引导实现石墨烯光电探测器的光探测和放大，从而光电探测器的源电极和漏电极用作由石墨烯场效应晶体管制成的前置放大器的顶栅。在一个示例性实施例中，由单层或双层石墨烯场效应晶体管制成的前置放大器位于光电探测结构上方。在一个示例性实施例中，在放大器层中存在复位晶体管，该复位晶体管用于除去由泄漏电流产生的电荷以及由来自探测器的源电极和漏电极的较早的光电流产生的信号电荷。在一个示例性实施例中，前置放大器石墨烯场效应晶体管使用由光电探测器的多个源电极或漏电极形成的多个栅极。

已经在上文中说明了本发明的不同的非限制示例性方面和实施例。上述实施例仅用于解释可以在本发明的实现方式中利用的所选方面或步骤。一些实施例可以仅参考本发明的特定示例性方面被呈现。应当理解对应的实施例也可以应用于其它示例性方面。可以形成所述实施例的任何适当的组合。

附图说明

为了更完整地理解本发明的示例性实施例，现在结合附图参考下文的描述，在附图中：

图1示出了根据本发明示例性实施例具有前置放大器的基于石墨烯的光电探测器的俯视图；

图2示出了根据本发明示例性实施例的图1的光电探测器的剖面视图；

图3示出了根据本发明示例性实施例的光电探测结构的俯视图；

图4示出了根据本发明示例性实施例的放大器层的俯视图；

图5示出了根据本发明示例性实施例的光电探测器中的光的行为；

图6示出了根据本发明另一示例性实施例具有前置放大器的光电探测器的俯视图；

图7示出了根据本发明示例性实施例的设备的示例性框图；以及

图8示出的粗略流程图示出了根据本发明示例性实施例的方法。

具体实施方式

通过参考附图中的图1到图8理解本发明的示例性实施例及其潜在优势。在下文的描述中，相似的数字表示相似的元件。

图像传感器通常包括像素网格。每个像素的面积通常大约为1平方微米。图1在一个示例性实施例中一个像素的面积中示出了具有前置放大器的基于石墨烯的光电探测器。光电探测结构和放大器层的序列在光电探测器的垂直方向上重复，从而最终可以检测（或获得）色系中的每个颜色。联系图2更详细地描述这一点。在图1中，示出了具有前置放大器的第一或最上面的光电探测结构。光电探测结构的源电极106和漏电极107位于石墨烯光子感测层上方（图2中更清楚地示出）。源电极106和漏电极107具有指形几何结构。指电极形成交叉图案。附图标记1061示出了源电极106的一个指，附图标记1071示出了漏电极107的一个指。源电极106和漏电极107可以由金属形成。它们收集由光子感测层中的光子产生的空穴和电子。光电探测结构的源电极106和漏电极107用作光电探测结构上的放大器层中的石墨烯基场效应晶体管（FET）的栅极。因此石墨烯FET用作光电探测结构的前置放大器，放大由光电探测结构产生的光电流。通过石墨烯纳米带在示例性实施例中实现石墨烯FET放大器沟道104，由此石墨烯FET（GFET）形成石墨烯纳米带场效应晶体管（GNR-FET）。在示例性实施例中，石墨烯纳米带由单层或双层石墨烯构成。

在一个示例性实施例中，放大器层还包括复位晶体管108。在一个示例性实施例中，复位晶体管108也由石墨烯制成。复位晶体管的逻辑操作可以对应于常规复位晶体管。其用作配置成在需要时去除所产生的电荷的开关。此处所产生的电荷是指例如由泄漏电流和/或由来自探测器的源电极106和漏电极107的较早的光电流所产生的电荷。复位晶体管108和石墨烯FET沟道104连接到控制电子装置105。控制电子装置105可以位于像素的一侧（或多侧）。

第二放大器沟道103和第二复位晶体管109类似于沟道104和复位晶体管108工作，并且类似地连接到控制电子装置105。于是，放大的信号可以作为差分信号——即放大器沟道103和104的信号之和——被获得。

在备选实施例中，电极106和107之一（要么源电极106要么漏电极107）连接到信号地。在该示例性实施例中，不需要放大器沟道103和104中的另一个。

图2示出了根据本发明示例性实施例的图1的光电探测器的剖面视图。已经沿着图1所示的线A-A截取了剖面。在顶上，该探测器包括用于所有色彩部件的抗反射涂层。在该层下面，探测器包括实现第一光电探测结构的第一光电探测层以及实现第一光电探测层上的第一前置放大器的第一放大器层。更具体地，第一光电探测层包括由石墨烯制成的（一个或多个）第一光子感测层211。可以有不止一个石墨烯层或若干石墨烯层彼此叠置。在所述（一个或多个）第一光子感测层211上，该结构包括第一光电探测结构的源电极106和漏电极107。在源电极106和漏电极107上并且在第一放大器层的石墨烯FET沟道103和104下方的电介质层241将第一光电探测结构与第一放大器层分开。第一光电探测结构的源电极106和漏电极107用作第一光电探测结构上的第一放大器层中的石墨烯FET的顶栅。因此该石墨烯FET用作第一光电探测结构的前置放大器，放大由第一光电探测结构产生的光电流。

在第一光电探测结构下方，所述探测器包括第一颜色（或颜色成分）过滤层221。第一颜色过滤层221使其它颜色成分通过，但是反射或吸收色系的第一颜色成分。在该示例性实施例中，第一颜色成分是RGB色系的蓝色。

在该第一颜色过滤层221下面，探测器包括实现第二光电探测结构的第二光电探测层以及实现第二光电探测层上的第二前置放大器的第二放大器层。第二光电探测层和光电探测结构以及第二放大器层和前置放大器在结构和操作方面基本上分别与第一光电探测层和光电探测结构以及第一放大器层和前置放大器对应。更具体地，第二光电探测层包括由石墨烯制成的（一个或多个）第二光子感测层212。可以有不止一个石墨烯层或若干石墨烯层彼此叠置。在所述（一个或多个）第二光子感测层212上，该结构包括第二光电探测结构的源电极206和漏电极207。在源电极206和漏电极207上并且在第二放大器层的石墨烯FET沟道203和204下方的电介质层242将第二光电探测结构与第二放大器层分开。第二光电探测结构的源电极206和漏电极207用作第二光电探测结构上的第二放大器层中的石墨烯FET的顶栅。因此该石墨烯FET用作第二光电探测结构的前置放大器，放大由第二光电探测结构产生的光电流。

在第二光电探测结构下方，所述探测器包括第二颜色过滤层222。第二颜色过滤层222使其它颜色成分通过，但是反射或吸收色系的第二颜色成分。在该示例性实施例中，第二颜色成分是RGB色系的绿色。

在该第二颜色过滤层222下面，探测器包括实现第三光电探测结构的第三光电探测层以及实现第三光电探测层上的第三前置放大器的第三放大器层。第三光电探测层和光电探测结构以及第三放大器层和前置放大器在结构和操作方面基本上分别与第一和第二光电探测层和光电探测结构以及第一和第二放大器层和前置放大器对应。更具体地，第三光电探测层包括由石墨烯制成的（一个或多个）第三光子感测层213。可以有不止一个石墨烯层或若干石墨烯层彼此叠置。在所述（一个或多个）第三光子感测层213上，该结构包括第三光电探测结构的源电极306和漏电极307。在源电极306和漏电极307上并且在第三放大器层的石墨烯FET沟道303和304下方的电介质层243将第三光电探测结构与第三放大器层分开。第三光电探测结构的源电极306和漏电极307用作第三光电探测结构上的第三放大器层中的石墨烯FET的顶栅。因此该石墨烯FET用作第三光电探测结构的前置放大器，放大由第三光电探测结构产生的光电流。

在第三光电探测结构下方，所述探测器可选地包括第三颜色过滤层223。第三颜色过滤层223使其它颜色成分通过，但是反射或吸收色系的第三颜色成分。在该示例性实施例中，第三颜色成分是RGB色系的红色。然而，应当注意颜色过滤器（层221-223）的顺序可以选择成不同于上面呈现的顺序。此外，备选地，所述色系可以不同于RGB色系。具有彼此叠置的前置放大器的光电探测结构的数量取决于所应用的色系。

关于当前实施例中的光子感测和放大器操作，要注意所有入射光子（或入射光）的大部分入射到（一个或多个）第一光子感测层211中。所述（一个或多个）第一光子感测层211上的石墨烯FET对于入射光子基本上是透明的，这是因为单个石墨烯层仅吸收约2.3%的入射光子，并且石墨烯FET的面积仅覆盖由所述（一个或多个）第一感测层211形成的光电池的较小面积。于是，基本上通过例如从获得于所述（一个或多个）第一光子感测层211并且由第一前置放大器放大的信号中减去从所述（一个或多个）第二光子感测层212获得的且由第二前置放大器放大的信号，获得所述蓝色成分。因此，由于除了蓝色成分之外的所有颜色成分进入（一个或多个）第二光子感测层212，所以绿色成分基本上通过从得自于（一个或多个）第二光子感测层212且被第二前置放大器放大的信号减去得自于（一个或多个）第三光子感测层213并且由第三前置放大器放大的信号获得。并且，红色成分基本上通过从得自于第三光子感测层213并且由第三前置放大器放大的信号获得。

在仅期望黑白照片的情况下，具有第一前置放大器的第一光电探测结构可以用于获得黑白照片（换而言之，亮度信息等）而无需计算。

图3示出了光电探测结构300的俯视图，图4示出了示例性实施例中放大器层400的俯视图。图1所示的光电探测器的结构可以通过用适当的制造方法在光电探测结构300上制造放大器层400实现。在一个实施例中，化学气相沉积（CVD）用作该制造方法。

图5示出了一个实施例中的光电探测器中的光的行为。在图5所示实施例中，图2所示的颜色过滤层221-223已经通过颜色反射层实现，然而，或者可以使用颜色吸收层。与图2相比，其中所示的结构的某些细节在图5中未示出。用作第一颜色过滤层221的第一反射涂层从入射光581反射蓝色成分581'的波长范围。用作第二颜色过滤层222的第二反射涂层从入射光582（第一反射涂层已经从该入射光582中反射了蓝色成分）反射绿色成分582'的波长范围。并且，用作第三颜色过滤层223的可选的第三反射涂层从入射光583（第一反射涂层221和第二反射涂层222已经从该入射光583中反射了蓝色成分和绿色成分）反射红色成分583'的波长范围。反射涂层221-223的使用使光探测效率基本上加倍，由此背反射的光也能够被利用。

图6示出了另一示例性实施例中具有前置放大器的光电探测器的俯视图。图6中使用的附图标记完全对应于图2中的附图标记。该实施例呈现了用于前置放大器晶体管的备选布局。该前置放大器晶体管沟道106和107已经被直接放在源电极和漏电极骨干顶上，从而用作前置放大器的顶栅的电极覆盖前置放大器晶体管的整个沟道区。

图7示出了根据一个示例性实施例的设备700的示例性框图。设备700包括配置成存储计算机程序或包括计算机程序代码750的软件的至少一个非易失性存储器740。该设备700还包括使用计算机程序代码750控制该设备700的操作的至少一个处理器720、用于通过所述至少一个处理器720运行计算机程序代码750的工作存储器730,以及可选的用于与其它实体或设备进行通信的输入/输出系统770。因此，输入/输出系统770（如果存在）包括一个或多个向通信网络和/或向另一设备提供通信接口的通信单元或模块。该设备700包括使得用户能够使用该装置的用户接口760。

该设备700还包括摄像机模块780。摄像机模块780包括所需量的具有在示例性实施例中描述的垂直集成的前置放大器的基于石墨烯的光电探测器。摄像机模块780连接到所述至少一个处理器720。它可以由所述至少一个处理器720控制。作为替代或者作为补充，摄像机模块780可以包括控制其操作或者整个设备700的操作的其自己的处理器。取决于该设备是否是容纳摄像机的移动通信装置或者例如仅仅是数字摄像机，该设备的结构可以偏离图7中所呈现的结构。在实际的实现方式中，一个或多个框可以被省略并且/或者一个或多个另外的框可以被添加。

图8是示出了根据一个示例性实施例的方法的流程图。该方法开始于步骤801。在步骤802，在具有一个或多个石墨烯光子感测层的光电探测结构中检测光子。在步骤803中，由该光电探测结构产生的光电流在用作该光电探测结构的前置放大器的石墨烯场效应晶体管中被放大，其中该石墨烯场效应晶体管垂直集成到所述光电探测结构。该方法结束于步骤804。

此外，该概念也可以用于诸如红外和紫外的其它频率。

在不以任何方式限制下面出现的权利要求的范围、解释或应用的情况下，下面列出此处公开的一个或多个示例性实施例中的特定技术效果：一个技术效果是通过将前置放大器结构集成到探测器元件中而将连接到前置放大器输入栅的总电容保持在可接受的水平；另一个技术效果是制造简单；另一个技术效果是低材料成本；另一个技术效果是结构薄；又一个技术效果是在低光强度条件下适当地使用基于石墨烯的光电探测器；再一个技术效果是在前置放大器在光电池顶上的情况下像素的非光敏面积减小。

已经通过本发明的特定实现方式和实施例的非限制实例提供了上述描述，由发明人当前想到的用于执行本发明的最佳模式的完整且有信息的描述。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明不限于在上文中呈现的实施例的细节，而是，在不偏离本发明的特性的情况下，其可以使用等效手段以其它实施例实现或者以实施例的不同组合实现。

如果期望，此处讨论的不同功能可以以不同的顺序执行和/或彼此同时地执行。此外，如果期望，上述功能中的一种或多种可以是任选的。

此外，可以有利地利用本发明上面公开的实施例的一些特征而不对应地使用其它特征。同样，前面的描述应当理解为仅仅是对本发明原理的说明而非对其的限制。因此，本发明的范围仅由所附专利权利要求限定。

Claims (14)

1.一种用于感测光子的设备，包括：

具有一个或多个石墨烯光子感测层的光电探测结构；以及

配置成用作所述光电探测结构的前置放大器的集成石墨烯场效应晶体管，其中所述石墨烯场效应晶体管垂直集成到所述光电探测结构，以及其中所述光电探测结构包括源电极和漏电极，所述源电极和漏电极配置成用作所述石墨烯场效应晶体管的栅极。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光电探测结构配置成将光子转化成电信号，并且所述前置放大器配置成放大该信号。

3.根据权利要求1或2所述的设备，在堆叠结构中包括：

所述一个或多个石墨烯光子感测层；以及

所述一个或多个石墨烯光子感测层上的所述前置放大器。

4.根据权利要求1所述的设备，包括彼此叠置的多个层，每个层包括所述光电探测结构和所述垂直集成的石墨烯场效应晶体管。

5.根据权利要求1所述的设备，包括作为所述石墨烯场效应晶体管的沟道的石墨烯纳米带。

6.根据权利要求1所述的设备，包括在放大器层中实现的所述石墨烯场效应晶体管,并且还包括集成到所述放大器层中用于被配置成在需要时复位所产生的电荷的复位晶体管。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备包括用于黑白图像系统的图像传感器，或者彩色图像系统的图像传感器。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备是手持移动通信装置。

9.一种用于感测光子的方法，包括：

在具有一个或多个石墨烯光子感测层的光电探测结构中检测光子；

在用作该光电探测结构的前置放大器的石墨烯场效应晶体管中放大由该光电探测结构产生的光电流，其中该石墨烯场效应晶体管垂直集成到所述光电探测结构；以及

使用包含在所述光电探测结构中的源电极和漏电极作为所述石墨烯场效应晶体管的栅极。

10.根据权利要求9所述的方法，包括提供堆叠结构，该堆叠结构包括：

所述一个或多个石墨烯光子感测层；以及

所述一个或多个石墨烯光子感测层上的所述前置放大器。

11.根据权利要求9或10所述的方法，包括提供彼此叠置的多个层，每个层包括所述光电探测结构和所述垂直集成的石墨烯场效应晶体管。

12.根据权利要求9所述的方法，包括使用石墨烯纳米带作为所述石墨烯场效应晶体管的沟道。

13.根据权利要求9所述的方法，包括在放大器层中集成复位晶体管，所述石墨烯场效应晶体管也在该放大器层实现。

14.根据权利要求9所述的方法，包括：

通过化学气相沉积制造具有所述一个或多个石墨烯光子感测层的所述光电探测结构和所述垂直集成的石墨烯场效应晶体管。