CN105575985A - 半导体光学感测器 - Google Patents
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Abstract
一种半导体光学感测器，包含多个感测单元，用来感测一入射光信号以产生一电信号，其中一感测单元包含：一基板；一感光元件，其材料与该基板的材料不同，用来将该入射光信号转换为该电信号；一透镜，其材料包含与该基板相同的材料，用来改变该入射光信号的传输路径，以将该入射光信号导向该感光元件；以及一光屏蔽元件，围绕该感光元件，用来改变该入射光信号经过该透镜后的传输路径或传输距离，以避免该入射光信号到达该感测单元的一相邻感测单元的感光元件。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体光学感测器，尤其涉及一种具有光屏蔽结构的半导体光学感测器。
背景技术
一般而言，光学感测器将透镜、感光元件、金属绕线等元件制作并整合于一感光系统结构中。入射光信号先经由透镜聚焦，而后由感光元件吸收并转换为电信号，电信号再经由金属绕线传输至后级的电路以进行电性分析或处理。然而，入射光信号可能无法完全被感光元件吸收，造成入射光信号发散至半导体结构中的其他部位，此时如果光学感测器包含多个感测单元所构成的阵列，则发散的入射光会造成感测单元之间的串音干扰(crosstalk)，影响光学感测器的感测结果。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的一目的在于提供一种半导体光学感测器，以提高聚光能力与减低串音干扰并提升感测效能。
本发明揭露了一种半导体光学感测器，包含多个感测单元，用来感测一入射光信号以产生一电信号，其中一感测单元包含：一基板；一感光元件，其材料与该基板的材料不同，用来将该入射光信号转换为该电信号；一透镜，其材料包含与该基板相同的材料，用来改变该入射光信号的传输路径，以将该入射光信号导向该感光元件；以及一光屏蔽元件，围绕该感光元件，用来改变该入射光信号经过该透镜后的传输路径或传输距离，以避免该入射光信号到达该感测单元的一相邻感测单元的感光元件。
本发明另揭露了一种半导体光学感测器，用来感测一入射光信号以产生一电信号，包含：一基板；一感光元件，其材料与该基板的材料不同，用来将该入射光信号转换为该电信号；一透镜，其材料包含与该基板相同的材料，用来改变该入射光信号的传输路径，以将该入射光信号导向该感光元件；一光局限元件，位于该感光元件的侧面并且与该感光元件位于同一平面，用来吸收或反射经过该透镜后的该入射光信号；以及一光反射元件，位于该感光元件的上方，用来反射经过该感光元件后的该入射光信号。
本发明的半导体光学感测器能够有效减少入射光信号散射至邻近的感测单元，因此可以降低感测单元之间的串音干扰并减少暗电流。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1A为本发明半导体光学感测器的一实作方式的立体结构图；
图1B为图1A的横截面图；
图2为本发明半导体光学感测器的另一实作方式的横截面图；
图3A为本发明半导体光学感测器的另一实作方式的立体结构图；
图3B为图3A的横截面图；
图4为本发明半导体光学感测器的另一实作方式的横截面图；
图5为本发明半导体光学感测器的另一实作方式的横截面图；
图6A为本发明半导体光学感测器的另一实作方式的立体结构图；
图6B为图6A的横截面图；以及
图7为本发明半导体光学感测器之制作流程图。
其中，附图标记
10、20、30、60半导体光学感测器
100、300、600感测单元
110、310、610透镜
120、320、620基板
130、330、630感光元件
140、340光局限结构
150、350光反射结构
160、360介电层
640光屏蔽结构
具体实施方式
本发明的揭露内容包含半导体光学感测器，其具有良好的光局限及/或光反射结构以避免入射光散射，因此可减低串音干扰。在实施为可能的前提下，本技术领域具有通常知识者能够依本说明书的揭露内容来选择等效的元件来实现本发明，亦即本发明的实施并不限于后叙的实施例。
图1A本发明半导体光学感测器的一实作方式的立体结构图，图1B为图1A的横截面图。半导体光学感测器10由多个感测单元100所组成，多个感测单元100以阵列的形式排列，图中仅绘示某一列中三个相邻的感测单元100的完整或局部结构。位于基板120下方的半球状构造感测单元100的透镜110，透镜110的材料可以与基板120相同(例如是硅、绝缘层覆硅(silicononinsulator,SOI)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)等，但不以此为限)，制作时可以藉由在同一块基材上以半导体工艺的方法(例如蚀刻、压印(imprinting)或图案转印(patterntransfer)等技术，不以此为限)制作出透镜110。因为透镜110与基板120的材料相同，透镜110可以由半导体工艺技术所完成，而达到降低成本的功效。同时透镜110与基板120之间的对准步骤可以利用半导体工艺中的黄光微影技术来完成，所以工艺上相对简单以及更为精准。在其他实施例中，透镜110的材料也可以与基板120不同。感测单元100的感光元件130制作于基板120的上表面，入射光信号(如图1A所示之箭头L)经过透镜110后聚焦在感光元件130上，然后经由感光元件130转换成电信号。
相邻的感光元件130之间存在有光局限结构140，光局限结构140可以避免应该由某一感测单元100吸收的入射光信号散射至其邻近的感测单元100。在此实施例中，相邻的感光元件130共用位于两者之间的光局限结构140；光局限结构140与感光元件130同样制作于基板120的上表面，而且光局限结构140与感光元件130的材料相同，因此可以吸收散射的入射光信号以缩短其传输距离，达到将入射光信号局限在个别的感测单元100之内的效果，以减低串音干扰。在一个实施例中，如图1B所示，光局限结构140与感光元件130的高度相同，也就是两者可以在同样的半导体工艺步骤中同时生成(例如在同一个沉积步骤中)，之后再藉由微影与蚀刻定义出两者的范围；然而在其他的实施例中，光局限结构140的高度可以高于或低于感光元件130，以得到不同的光局限效果。
每一个感测单元100还包含光反射结构150，其位于感光元件130的上方，也就是对基板120而言相对于透镜110的另一侧。更明确地说，光反射结构150制作于介电层160的上方(为了在立体图中清楚呈现各主要元件的相对位置，图1A中省略介电层160)，介电层160可以是半导体中常见的介电材料，例如二氧化硅(SiO2)等。光反射结构150的功用主要在于反射未被或是未完全被感光元件130吸收的入射光信号，亦即改变入射光信号的传输方向，如此一来入射光信号可以有再次被感光元件130吸收的机会，以提高感光元件130的光电转换效能，亦即提高感测单元100的感测能力。介电层160的厚度可依入射光信号的波长、介电质的折射率与光反射结构150的材料而调整，以达到最佳反射效果。光反射结构150的材料可以例如是导电性材料、介电材料、半导体材料或其任意组合；在一个实施例中，当光反射结构150以金属实作时，其与感光元件130之间可以透过导线(图未示)连接，如此一来光反射结构150除了作为反射光信号之用，还可以作为电极，用来跟半导体结构中其他的电子元件连接，例如电容、电阻、电感、晶体管等，这些电子元件可能制作于基板120的表面或是基板120的内部。
上述的感光元件130及光局限结构140也可制作于基板120之中。如图2所示，半导体光学感测器20的感光元件130及光局限结构140内嵌于基板120之中，此时光反射结构150可以直接制作于基板120的上表面。透镜110位于基板120的下表面，与基板120依旧为以同样材料所制成的一体结构。图中绘示感光元件130及光局限结构140的高度小于基板120的厚度，然而在不同的实施例中，感光元件130及光局限结构140的高度可以等于基板120的厚度，也就是感光元件130露出于基板120的上表面，直接与光反射结构150接触，因此可以进一步避免入射光信号散射，而且当光反射结构150以导电材料实作时，可以同时达到感光元件130与光反射结构150之间电性耦合的效果。
图3A本发明半导体光学感测器的另一实作方式的立体结构图，图3B为图3A的横截面图。半导体光学感测器30由多个感测单元300所组成，多个个感测单元300以阵列的形式排列，图中仅绘示某一列中三个相邻的感测单元300的完整或局部结构。位于基板320下方的半球状构造感测单元300的透镜310，透镜310的材料可以与基板320相同或不同。感测单元300的感光元件330制作于基板320的上表面，入射光信号经过透镜310后聚焦在感光元件330上，然后经由感光元件330转换成电信号。
同样的，为了防止感测单元300之间的串音干扰，相邻的感光元件330之间以光局限结构340区隔。在此实施例中，光局限结构340围绕在感光元件330的外围，以防止入射光信号散射。每个感测单元300有专属的光局限结构340，也就是说相邻的感测单元300不共用光局限结构340，而在半导体光学感测器10或20中，相邻的100共用光局限结构140。光局限结构340的材料可以相同或不同于与感光元件330的材料，在一个实施例中，光局限结构340以导电性材料做成，其可藉由反射将光信号局限在感测单元300中，同样地，当光局限结构340以导电性材料制作时，光局限结构340可以作为感测单元300的电极，用来与外部的电路形成电连接，而感光元件330与光局限结构340之间可以藉由金属绕线连接，或是藉由在基板320上位于两者之间的区域进行掺杂，以形成两者之间的电连接。
每一个感测单元300还包含光反射结构350，其位于感光元件330的上方，也就是对基板320而言相对于透镜310的另一侧。更明确地说，光反射结构350制作于介电层360的上方(为了在立体图中清楚呈现各主要元件的相对位置，图3A中省略介电层360)，介电层360可以是半导体中常见的介电材料，例如二氧化硅等。光反射结构350的功用主要在于反射未被或未完全被感光元件330吸收的入射光信号，如此一来入射光信号可以有再次被感光元件330吸收的机会，以提高感光元件330的光电转换效能，亦即提高感测单元300的感测能力。介电层360的厚度可依入射光信号的波长、介电质的折射率与光反射结构350的材料而调整，以达到最佳反射效果。光反射结构350的材料可以例如是导电性材料、介电材料、半导体材料或其任意组合；在一个实施例中，当光反射结构150以导电性材料实作时，其与感光元件130之间可以透过导线(图未示)连接，如此一来光反射结构350除了作为反射光信号之用，还可以作为电极，用来跟半导体结构中其他的电子元件连接。上述的光局限结构340与光反射结构350可以在半导体工艺的同一个步骤中完成或是在不同的步骤中完成。
在此实施例中，光局限结构340的高度大于等于感光元件330与光反射结构350的厚度总和，也就是说，假设光局限结构340的上方有一个平行于基板320的上表面并与光局限结构340接触的平面，则感光元件330与光反射结构350位于光局限结构340与该平面所围绕的空间中。在不同的实施例中，光反射结构350同时覆盖感光元件330及光局限结构340，如图4的半导体光学感测器40所示；或是光反射结构350不覆盖光局限结构340，且光局限结构340的高度亦不足以将光反射结构350围绕其中，如图5的半导体光学感测器50所示。
在其他的实施例中，只要材料及工艺允许，不论是半导体光学感测器10、30、40或50，光反射结构150(或光反射结构350)可以直接制作于感光元件130(或感光元件330)的上表面，也就是光反射结构150(或光反射结构350)与感光元件130(感光元件330)两者互相接触，中间不存在介电层160(或介电层360)；在半导体光学感测器40的结构中，光反射结构350可同时与感光元件330及光局限结构340接触。再者，类似于图2的半导体光学感测器20，半导体光学感测器30、40或50的感光元件330及光局限结构340可以完全或部分内嵌于基板320中。
在图1至图5的实施例中，感光元件130(或感光元件330)及光局限结构140(或光局限结构340)实质上位于同一平面，以提供良好的光局限效果。
图6A本发明半导体光学感测器的另一实作方式的立体结构图，图6B为图6A的横截面图。半导体光学感测器60由多个感测单元600所组成，多个感测单元600以阵列的形式排列，图中仅绘示某一列中三个相邻的感测单元600的完整或局部结构。位于基板620下方的半球状构造感测单元600的透镜610，透镜610的材料可以与基板620相同或不同。感测单元600的感光元件630制作于基板620的上表面，入射光信号经过透镜610后聚焦在感光元件630上，然后经由感光元件630转换成电信号。
同样的，为了防止感测单元600之间的串音干扰，感光元件630除了与基板620接触的一面之外，被光屏蔽结构640所包覆。此处所谓的包覆可以是光屏蔽结构640与感光元件630的表面完全接触(如图6A及6B所示)，或是光屏蔽结构640与感光元件630的表面部分接触或是不接触。光屏蔽结构640同时在感光元件630的侧面及上面局限光的传输，亦即光屏蔽结构640事实上同时包含光局限结构140(或光局限结构340)及光反射结构150(或光反射结构350)的功能；如此一来，穿过感光元件630而从其侧面及上表面射出的入射光信号皆会被光屏蔽结构640反射或吸收，以避免入射光信号散射。每个感测单元600有专属的光屏蔽结构640，也就是说相邻的感测单元600不共用光屏蔽结构640。光屏蔽结构640的材料可以例如是导电性材料、介电材料、半导体材料或其组合；在一个实施例中，光屏蔽结构640以导电性材料做成，其可藉由反射将入射光信号局限在感测单元600中，同样地，当光屏蔽结构640以导电性材料做成时，光屏蔽结构640可以作为感测单元600的电极，用来与外部的电路形成电连接。
类似地，感光元件630及光屏蔽结构640可以完全或部分内嵌于基板620中。
上述的透镜110、透镜310及透镜610不限于球形结构，可以是任何具有光学扰动(opticalperturbation)功能的结构，例如非球形或光子晶体的结构，其所产生的光学扰动包含但不限于反射、传送、聚焦、对准(collimation)及绕射。透镜的表面还可藉由额外的工艺微调来增强其光学扰动的能力。另外，上述光局限结构340及光屏蔽结构640的结构不以圆形为限，还可以例如是椭圆形、矩形等形状。
半导体光学感测器10中的光局限结构140及光反射结构150可以视为围绕在感光元件130周围的光屏蔽结构(同理，光局限结构340及光反射结构350可以视为感光元件330的光屏蔽结构)，目的在于局限已经过透镜110及/或感光元件130的入射光信号，以避免该入射光信号未被或未完全被感光元件130吸收时，散射至邻近的感测单元100，以降低串音干扰。
上述的基板与感光元件之间(即基板120与感光元件130之间、基板320与感光元件330之间、基板620与感光元件630之间)的材料选择与组合与半导体光学感测器所欲感测的光信号有关，例如基板的折射率必须配合光信号的波长，亦必须同时兼顾与感光元件的材料之间的相容性。在一个实施例中，基板的材料的能隙(bandgap)大于感光元件的材料的能隙，例如基板以硅所制成，感光元件以锗所制成，此种材料组合使半导体光学感测器可以用于感测近红外光(nearinfrared)波段的光信号(波长范围：0.75～1.4微米)；在其他实施例中，基板材料与感光元件材料之间的差异可能来自于各自的化学元素组成、异质掺杂(extrinsicdoping)、缺陷导入等。
参见图7，为本发明半导体光学感测器的制作流程图。本发明半导体光学感测器的范例性工艺如下所述。首先形成感光元件及光局限元件(步骤701)。依据一些实施方式，感光元件可由在基板顶部一区域内选择性成长锗基光吸收材料，或是在基板顶部整个表面上磊晶成长锗基光吸收材料。光局限元件可在制作感光元件时同时制作，亦即刻意在感光元件附近留下部份光吸收材料以吸收未被感光元件吸收的光。依据一些实施方式，光局限元件可由沉积光反射材料或是光吸收材料制作，且可在制作感光元件之前或是之后制作。依据一些实施方式，在形成锗基光吸收材料之后，可沉积介电材料或是半导体材料以包围此感光元件，然后再沉积光吸收材料(如锗)或是光反射材料(如铝)。在形成感光元件及光局限元件之后，可在感光元件之上沉积光反射材料以形成光反射元件(步骤702)。然后所得结构再接合至另一主基板，亦即将接近光反射元件的顶表面接合到主基板的表面(步骤703)。此主基板可包含多重金属绕线或是CMOS元件以提供信号之后续处理。上述的结合方式可为金属至金属结合，氧化物至氧化物结合或是其他结合机制。在晶圆结合工艺后，将此光学元件翻转且去除原有基板的大部分材料，再利用灰阶罩暮(greyscalemask)或是纳米压印(nanoimprinting)等方式制作透镜(步骤704)。依据一些实施方式，在移除原有基板的大部分材料之后，也可由沉积或是接合方式制作此透镜。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (20)
1.一种半导体光学感测器，包含多个感测单元，用来感测一入射光信号以产生一电信号，其特征在于，每一感测单元包含：
一基板；
一感光元件，其材料与该基板的材料不同，用来将该入射光信号转换为该电信号；
一透镜，其材料包含与该基板相同的材料，用来改变该入射光信号的传输路径，以将该入射光信号导向该感光元件；以及
一光屏蔽元件，围绕该感光元件，用来改变该入射光信号经过该透镜后的传输路径或传输距离，以避免该入射光信号到达该感测单元的一相邻感测单元的感光元件。
2.根据权利要求1所述的半导体光学感测器，其特征在于，该光屏蔽元件包含：
一光局限元件，位于该感光元件的侧面，并且与该感光元件位于同一平面；以及
一光反射元件，位于该感光元件的上方。
3.根据权利要求2所述的半导体光学感测器，其特征在于，该光局限元件的材料与该感光元件相同。
4.根据权利要求3所述的半导体光学感测器，其特征在于，该光局限元件与该感光元件以同一半导体工艺步骤完成，且两者的厚度相同。
5.根据权利要求2所述的半导体光学感测器，其特征在于，该光局限元件以导电性材料制成，并与该感光元件电连接，以作为该感测单元的电极。
6.根据权利要求2所述的半导体光学感测器，其特征在于，该光反射元件以导电性材料制成，并与该感光元件电连接，以作为该感测单元的电极。
7.根据权利要求2所述的半导体光学感测器，其特征在于，该感光元件位该基板相对于该透镜的另一侧的表面，且该光局限元件制作于该基板与该感光元件同侧的表面。
8.根据权利要求2所述的半导体光学感测器，其特征在于，该感光元件内嵌于该基板，且该光局限元件至少一部分内嵌于该基板。
9.根据权利要求1所述的半导体光学感测器，其特征在于，该光屏蔽元件以导电性材料制成，并与该感光元件电连接，以作为该感测单元的电极。
10.根据权利要求1所述的半导体光学感测器，其特征在于，该基板的材料的能隙大于该感光元件的材料的能隙。
11.根据权利要求1所述的半导体光学感测器，其特征在于，该基板的材料为硅，该感光元件的材料为锗。
12.一种半导体光学感测器，用来感测一入射光信号以产生一电信号，其特征在于，包含：
一基板；
一感光元件，其材料与该基板的材料不同，用来将该入射光信号转换为该电信号；
一透镜，其材料包含与该基板相同的材料，用来改变该入射光信号的传输路径，以将该入射光信号导向该感光元件；
一光局限元件，位于该感光元件的侧面并且与该感光元件位于同一平面，用来吸收或反射经过该透镜后的该入射光信号；以及
一光反射元件，位于该感光元件的上方，用来反射经过该感光元件后的该入射光信号。
13.根据权利要求12所述的半导体光学感测器，其特征在于，该光局限元件的材料与该感光元件相同。
14.根据权利要求13所述的半导体光学感测器，其特征在于，该光局限元件与该感光元件以同一半导体工艺步骤完成，且两者的厚度相同。
15.根据权利要求12所述的半导体光学感测器，其特征在于，该光局限元件以导电性材料制成，并与该感光元件电连接，以作为该感光元件的电极。
16.根据权利要求12所述的半导体光学感测器，其特征在于，该光反射元件以导电性材料制成，并与该感光元件电连接，以作为该感光元件的电极。
17.根据权利要求12所述的半导体光学感测器，其特征在于，该感光元件位于该基板相对于该透镜的另一侧的表面，且该光局限元件制作于该基板与该感光元件同侧的表面。
18.根据权利要求12所述的半导体光学感测器，其特征在于，该感光元件内嵌于该基板，且该光局限元件至少一部分内嵌于该基板。
19.根据权利要求12所述的半导体光学感测器，其特征在于，该基板的材料的能隙大于该感光元件的材料的能隙。
20.根据权利要求12所述的半导体光学感测器，其特征在于，该基板的材料为硅，该感光元件的材料为锗。
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