CN106601760B - 光电检测器、图像传感器及图像传感器操作的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电检测器、图像传感器及图像传感器操作的方法。光电检测器包含安置在半导体材料中的第一掺杂区域及安置在所述半导体材料中的第二掺杂区域。所述第二掺杂区域电耦合到所述第一掺杂区域，且所述第二掺杂区域是与所述第一掺杂区域相反的多数电荷载子类型。所述光电检测器还包含安置在所述半导体材料中的沟槽中的量子点层，且所述量子点层电耦合到所述第二掺杂区域。传递门经安置以允许电荷从所述第二掺杂区域传递到浮动扩散区。
Description
技术领域
本发明大体上涉及图像传感器，且特定地说(但不完全)涉及量子点图像传感器。
背景技术
量子点是足够小到展现出量子机械效应的半导体纳米晶体。具体地说，量子点的激发在所有三个空间尺寸中有所限定。量子点的电子特性与其大小及形状紧密相关。量子点中的带隙-如在所有半导体中，确定所吸收/发射的光的频率范围-与其大小成反比。因此，当量子点的大小增加时，经发射光的颜色从蓝色变为红色。换句话来说，量子点越大，所发射的光的频率就越低。此大小相依带结构允许量子点的激发及发射轮廓高度可控。因为量子点的大小在其形成时已被确定，所以可精确地调谐导电性质。此外，量子点可通过促进低成本批量制备的有机方法/前驱体而轻易地合成。
量子点归因于其高的消光系数及可调谐带隙而对于光学应用尤为重要。由于零维度，量子点具有比较高维度结构更明显的状态密度。结果，其具有优越的传送及光学性质，且正被研究以供二极管激光、放大器及生物传感器使用。此外，一些量子点可将单个光子转换为多个空穴-电子对，使其成为太阳能电池应用中的有吸引力的替代半导体候选者。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种光电检测器，其包括：安置在半导体材料中的第一掺杂区域；安置在所述半导体材料中的第二掺杂区域，其中所述第二掺杂区域电耦合到所述第一掺杂区域，且其中所述第二掺杂区域具有与所述第一掺杂区域相反的多数电荷载子类型；安置在所述半导体材料中的沟槽中的量子点层，其中所述量子点层电耦合到所述第二掺杂区域；及传递门及浮动扩散区，其中所述浮动扩散区安置在所述半导体材料中且所述传递门经定位以允许电荷从所述第二掺杂区域传递到所述浮动扩散区。
本发明的另一实施例涉及一种图像传感器，其包括：多个光电二极管，其包含：安置在半导体材料中的p-n结；及安置在所述半导体材料中的沟槽中的量子点层，其中所述量子点层电耦合到所述p-n结，且其中所述量子点层经安置以接收光；及电隔离结构，其安置在所述半导体材料中以减小所述多个光电二极管中的个别光电二极管之间的电流。
本发明的另一实施例涉及一种图像传感器操作的方法，所述方法包括：将图像电荷积累在多个光电二极管中，其中所述多个光电二极管中的个别光电二极管彼此电隔离，且其中所述多个光电二极管包含：安置在半导体材料中的p-n结；及安置在所述半导体材料中的沟槽中的量子点层，其中所述量子点层电耦合到所述p-n结，且其中所述量子点层吸收光以积累所述图像电荷；及将所述图像电荷从所述多个光电二极管传递到多个浮动扩散区，其中传递门经定位以将所述图像电荷从所述多个光电二极管传递到所述多个浮动扩散区。
附图说明
参考以下图式描述本发明的非限制且非详尽实例，其中除非另有规定，否则相同的参考数字是指各个图式中的相同部分。
图1A是根据本发明的教示的背侧照明量子点图像传感器的一个实例的横截面图。
图1B是根据本发明的教示的前侧照明量子点图像传感器的一个实例的横截面图。
图1C是根据本发明的教示的图1A中正在操作的实例背侧照明量子点图像传感器的横截面图。
图2是根据本发明的教示的说明成像系统的一个实例的方框图。
图3A到3E示出了根据本发明的教示的用于形成量子点图像传感器的实例过程。
对应的参考符号指示图式的若干视图中的对应组件。所属领域技术人员将明白，图式中的元件是为了简单及清楚起见而说明且不一定按比例绘制。例如，图式中的一些元件的尺寸可相对于其它元件有所夸大以帮助改善对本发明的各个实施例的理解。此外，商业上可行的实施例中有用或必需的常见但众所周知的元件通常没有被描绘，以促进减少对本发明的此类各个实施例的视图的干扰。
具体实施方式
本文中描述了用于量子点图像传感器的设备及方法的实例。在以下描述中，阐述数种特定细节以提供对实例的透彻理解。然而，所属领域技术人员将认识到，本文中描述的技术可在无特定细节中的一或多者的情况下或利用其它方法、组件、材料等来实践。在其它实例中，没有详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作以免混淆某些方面。
本说明书中对“一个实例”或“一个实施例”的引用意指结合实例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实例中。因此，短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”出现在本说明书中的各个位置不一定全部涉及相同实例。此外，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合在一或多个实例中。
在本说明书中，使用若干技术术语。此类术语在其所属技术中呈现其普通含义，除非本文中具体定义或其使用背景将另外明确表明。应注意，元件名称及符号在本文件中可互换使用(例如，Si对硅)；然而，这两者均具有相同含义。
图1A是背侧照明量子点图像传感器100的一个实例的横截面图。在所描绘的实例中，背侧照明量子点图像传感器100包含第一掺杂区域103、第二掺杂区域105、量子点层107、传递门109及浮动扩散区111。第二掺杂区域105电耦合到第一掺杂区域103，且第二掺杂区域105具有与第一掺杂区域103相反的多数电荷载子类型。第一掺杂区域103及第二掺杂区域105两者均被安置在半导体材料101中。量子点层107被安置在半导体材料101中的沟槽中，且量子点层107电耦合到第二掺杂区域105。在所描绘的实例中，第二掺杂区域105被安置在第一掺杂区域103与量子点层107之间。然而，在未描绘的另一实例中，量子点层107可电耦合到第一掺杂区域103及第二掺杂区域105两者。
在一个实例中，覆盖层113被安置在量子点层107上方且覆盖层113囊封含有量子点层107的沟槽。覆盖层113在量子点层107上方提供均质表面以允许沉积装置架构的后续层。此外，覆盖层113可防止非所需污染及电荷捕获分子(例如大气O2)进入量子点层107。在所描绘的实例中，覆盖层113被安置在量子点层107与微透镜层119之间。此外，彩色滤光器层121被安置在微透镜层119与覆盖层113之间。在所描绘的实例中，微透镜层119将光引导到量子点层107中，且彩色滤光器层121选择性地传递所需波长的光到量子点层107。
在所描述的实例中，值得注意的是，电隔离结构115(至少部分)包围背侧照明量子点图像传感器100的组件，包含第一掺杂区域103、第二掺杂区域105及量子点层107。电隔离结构115可防止图像电荷从量子点图像传感器100中的各个电活性组件之间泄漏。在一个实例中，电隔离结构115包含重掺杂半导体阱。然而，在另一实例中，电隔离结构115可包含金属、金属氧化物、半导体或类似物。此外，此类材料或其它材料中的任一者可被安置在半导体材料101中蚀刻的沟槽中以隔离量子点图像传感器100的电组件。
图1B是前侧照明量子点图像传感器100的一个实例的横截面图。在所描绘的实例中，前侧照明量子点图像传感器100含有来自图1A的背侧照明量子点图像传感器100的所有元件。然而，在前侧照明量子点图像传感器100中，光是通过光电检测器的前侧131被吸收在量子点层107中。此外，例如传递门109及浮动扩散区111的有源电路元件被安置在半导体材料101的前侧131上。
图1C是图1A中正在操作的实例背侧照明量子点图像传感器100的横截面图。图1C的右侧部分说明当量子点图像传感器100接收光时图像传感器带结构。在所描绘的实例中，第一掺杂区域103及第二掺杂区域105形成安置在半导体材料101中的p-n结。量子点层107被安置在半导体材料101中的沟槽中，且量子点层107电耦合到p-n结以形成光电二极管。多个此类光电二极管被安置在半导体材料101中且个别光电二极管彼此电隔离。在一个实例中，电隔离结构115经安置以减小所述多个光电二极管中的个别光电二极管之间的电流。
在所描绘的实例中，量子点层107经安置以通过量子点图像传感器100的背侧133接收光，且图像电荷被积累在多个光电二极管中。光是经由微透镜层119引导到多个光电二极管中。光进入光电二极管导致在量子点层107中形成空穴-电子对。图像电荷积累是通过使用p-n结(例如，第一掺杂区域103及第二掺杂区域105)分离量子点层107中的空穴-电子对而实现。图像电荷是从多个光电二极管传递到多个浮动扩散区111。传递门109经定位以将图像电荷从多个光电二极管传递到多个浮动扩散区111。通过施加电压于传递门109，多个光电二极管与多个浮动扩散区111之间的势垒降低，允许图像电荷流到多个浮动扩散区111。
在一个实例中，一些境况中的量子点可展现出多重激发生成。换句话来说，由量子点吸收的个别光子可产生一个以上空穴-电子对。光诱导电荷积累中的此增加可大幅改善低光敏感度且增强图像传感器的量子效率。
使用量子点作为光子吸收层的另一潜在优点是使用合成方法以精确地控制所吸收的光的波长。因为量子点中的状态密度与量子点的大小直接相关，所以带隙与量子点的大小成比例。量子点越大，带隙就越小，量子点越小，带隙就越大。因此，可基于量子点的大小及经选取以形成量子点的材料来调谐量子点的光敏感度。量子点层107可由半导体元件、金属元件或合金(包含Si、Ge、SiGe、LnP、LnAs、CdS、PbS、PbSe、CdTe、InP、InAs或类似物)制成。然而，在一个实例中，量子点层107包含金属硫族化合物复合体。在一个实例中，经金属硫族化合物复合体处理的量子点可具有比常规的量子点系统的数量级高多达8个数量级的导电率。在一些实例中，量子点的表面上剩余的有机配体已被移除且用金属硫族化合物复合体取代以增加量子点层107中的个别量子点之间的电荷传递以及增加量子点层107与第二掺杂区域105之间的电荷传递。
在说明背侧照明量子点图像传感器100的带图的图1C的部分中，示出了装置架构的各个块的相对能级。应特别注意，所述图是仅仅逼近实际系统的插图。在所描绘的实例中，量子点层107(例如，PbSe QD)具有高于第二掺杂区域105(例如，NPPD n-Si)的导能，此允许(经由入射光hv)产生在量子点层107中的自由电子流到第二掺杂区域105中。第二掺杂区域105及第一掺杂区域103形成钉扎光电二极管。因此，第二掺杂区域105可存储自由电子直到施加电压于传递门109(例如，TX)为止，降低第二掺杂区域105与浮动扩散区111之间的势垒且允许电子从第二掺杂区域105流动到浮动扩散区111。
图2是说明包含量子点图像传感器100的成像系统的一个实例的方框图。成像系统200包含像素阵列205、控制电路221、读出电路211及功能逻辑215。在一个实例中，像素阵列205是光电二极管或图像传感器像素(例如，像素P1、P2……、Pn)的二维(2D)阵列。如所说明，光电二极管被布置为行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人、地点、物体等的图像数据，所述图像数据接着可用来呈现人、地点、物体等的2D图像。
在一个实例中，在像素阵列205中的每一图像传感器光电二极管/像素已获取其图像数据或图像电荷之后，图像数据由读出电路211读出且接着被传递到功能逻辑215。读出电路211可经耦合以从像素阵列205中的多个光电二极管读出图像数据。在各个实例中，读出电路211可包含放大电路、模数转换(ADC)电路或其它。功能逻辑215可仅仅存储图像数据或甚至通过施加后图像效应(例如，剪切、旋转、除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)更改图像数据。在一个实例中，读出电路211可在某个时间沿读出列线(所说明的)读出一行图像数据或可使用各种其它技术(未说明)(例如串行读出或同时并行读出所有像素)来读出图像数据。
在一个实例中，控制电路221耦合到像素阵列205以控制像素阵列205中的多个光电二极管的操作。控制电路221可经配置以控制像素阵列205的操作。例如，控制电路221可产生快门信号以控制图像获取。在一个实例中，快门信号是全局快门信号以同时使得像素阵列205内的所有像素能够同时在单个获取窗期间捕获其相应图像数据。在另一实例中，快门信号是滚动式快门信号，使得每一行、每一列或每一组像素在连续获取窗期间相继地启用。在另一实例中，图像获取与例如闪光灯的照明效应同步。
在一个实例中，成像系统200可包含在数码相机、手机、膝上型计算机或类似物中。此外，成像系统200可耦合到其它硬件块(例如处理器、存储器元件、输出(USB端口、无线发射机、HDMI端口等)、照明设备/闪光灯、电输入(键盘、触摸显示器、触控板、鼠标、麦克风等)及/或显示器)。其它硬件块可将指令传递到成像系统200、从成像系统200提取图像数据或操控由成像系统200供应的图像数据。
图3A到3E示出了用于形成量子点图像传感器(例如，背侧照明量子点图像传感器100)的实例过程300。其中图3A到3E中的一些或所有图出现在过程300中的次序不应被视为限制。实情是，获益于本发明的所属领域一般技术人员将了解，一些过程可以未说明的各种次序或甚至并行执行。
图3A说明在半导体材料301中形成p-n结(例如，第一掺杂区域303及第二掺杂区域305)及辅助电路。在所描绘的实例中，辅助电路包含传递门309、浮动扩散区311及电隔离结构315。应注意，在所描绘的实例中，传递门309被部分安置在第二掺杂区域305、浮动扩散区311及电隔离结构315上方。此配置在p-n结与浮动扩散区311之间提供足够大的势垒，且防止图像电荷在施加电压于传递门309之前泄漏到浮动扩散区311中。虽然在所描绘的实例中，传递门309不会延伸到第一掺杂区域303上方，但是在未描绘的其它实例中，传递门309可延伸到第一掺杂区域303上方。
图3B说明在半导体材料301中蚀刻沟槽。在所描绘的实例中，沟槽从半导体材料301与p-n结相对的表面延伸到p-n结，其中所述沟槽接触第二掺杂区域305。在一个实例中，沟槽可延伸穿过半导体材料301使得其与第二掺杂区域305及第一掺杂区域303两者接触。在一个实例中，沟槽可具有大致上垂直的侧壁；然而，在另一实例中，沟槽可具有成某个角度的侧壁。沟槽可取决于所需沟槽几何形状及其它处理条件及限制而经由干式或湿式蚀刻过程来蚀刻。
图3C说明在沟槽中沉积量子点层307。在所描绘的实例中，量子点层307完全填充沟槽且与p-n结-具体是第二掺杂区域305接触。然而，在另一实例中，量子点层307可与第二掺杂区域305及第一掺杂区域303两者接触。在所描绘的实例中，量子点层307的横向界限与p-n结(例如，第一掺杂区域303及第二掺杂区域305)的横向界限共同延伸。然而，在不同实例中，量子点层307的横向界限可远大于p-n结的横向界限以进一步改善图像传感器装置中的光吸收。此外，第二掺杂区域305可部分延伸在传递门309下方，且量子点层307可并未(甚至部分)安置在传递门309下方。在一个实例中，半导体材料301及电隔离结构315将浮动扩散区311与量子点层307、第二掺杂区域305及第一掺杂区域303分离。然而，在未描绘的另一实例中，量子点层307、第二掺杂区域305及第一掺杂区域303的横向界限与由电隔离结构315界定的内部区域共同延伸，使得只有电隔离结构315将浮动扩散区311与p-n结分离。在所描绘的实例中，第二掺杂区域305被安置在量子点层307与第一掺杂区域303之间；然而，在替代实例中，第二掺杂区域305可不安置在量子点层307与第一掺杂区域303之间。在一些实例中，第一掺杂区域303及第二掺杂区域305两者均可以任何几何布置安置使得第一掺杂区域303及第二掺杂区域305电耦合到量子点层307且经安置以输出电荷到浮动扩散区311。在一个实例中，第一掺杂区域303是p型，第二掺杂区域305是n型，且量子点层307是n型。然而，在替代实例中，可颠倒此类多数电荷载子类型。
量子点层307可取决于所使用的量子点的类型而经由数种技术沉积。在一个实例中，量子点层307是经由例如旋涂、刮涂、喷墨印刷或类似物的溶液处理技术来沉积。在沉积量子点层307之后，可经由溶液清洗、化学机械抛光等从半导体材料301移除残余的量子点。
图3D说明沉积覆盖层313以囊封量子点层307。在所描绘的实例中，覆盖层313是由光学透明且电惰性材料(例如氧化硅、氮化硅或类似物)制成。覆盖层313可用来提供均质表面以制造装置架构的其它层且还可用来防止污染/电荷捕获到达量子点层307。应注意，装置架构的其它层/块可包含在覆盖层313中，因为所描绘的实例仅仅用来说明本发明的一个实施例。
图3E说明形成光学堆叠。在所描绘的实例中，光学堆叠包含彩色滤光器层321及微透镜层319。值得注意的是，在许多实例中，无需彩色滤光器层。此是因为量子点层307将凭借于所使用的量子点的大小选择适当波长的光。然而，在一个实例中，量子点层307可包含广泛范围的量子点大小，使得彩色滤光器层321是必需的以区分不同波长的光。在一个实例中，彩色滤光器层321包含红色、绿色及蓝色滤光器，其可被布置为贝尔图案、EXR图案、X变换图案或类似物。然而，在不同或相同的实例中，彩色滤光器层321可包含红外线滤光器、紫外线滤光器或隔离EM光谱的不可见部分的其它光滤光器。在一个实例中，微透镜319可由图案化在彩色滤光器层321的表面上的光敏化聚合物制成。一旦光敏化聚合物的矩形块图案化在彩色滤光器层121或覆盖层313的表面上，所述块可被熔化(或回流)以形成微透镜的圆顶状结构特性。
本发明的所说明实例的以上描述(包含发明摘要)不旨在详尽或将本发明限于所揭示的精确形式。虽然本发明的特定实例在本文中是为了说明性目的而描述，但是各种修改在本发明的范围内是可行的，如所属领域技术人员将认识到。
鉴于以上详述可对本发明作出此类修改。所附权利要求书中使用的术语不应被解释为将本发明限于说明书中揭示的特定实例。实情是，本发明的范围是完全通过所附权利要求书确定，所述权利要求书是根据权利要求书解译的已制定教义来解释。
Claims (21)
1.一种光电检测器，其包括：
安置在半导体材料中的第一掺杂区域；
安置在所述半导体材料中的第二掺杂区域，其中所述第二掺杂区域电耦合到所述第一掺杂区域，且其中所述第二掺杂区域具有与所述第一掺杂区域相反的多数电荷载子类型；
安置在所述半导体材料中的沟槽中的量子点层以响应于入射光而产生图像电荷，其中所述量子点层经电耦合以将所述图像电荷传递到所述第二掺杂区域；及
传递门及浮动扩散区，其中所述浮动扩散区安置在所述半导体材料中且所述传递门经定位以将所述图像电荷从所述第二掺杂区域传递到所述浮动扩散区。
2.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第二掺杂区域安置在所述第一掺杂区域与所述量子点层之间。
3.根据权利要求2所述的光电检测器，其中所述第二掺杂区域和所述第一掺杂区域形成钉扎光电二极管，所述钉扎光电二极管电耦合至且包括所述量子点层。
4.根据权利要求1所述的光电检测器，其进一步包括覆盖层，其中所述覆盖层囊封含有所述量子点层的所述沟槽。
5.根据权利要求1所述的光电检测器，其中光是通过所述光电检测器的背侧被吸收在所述量子点层中。
6.根据权利要求1所述的光电检测器，其中光是通过所述光电检测器的前侧被吸收在所述量子点层中。
7.根据权利要求1所述的光电检测器，其进一步包括所述半导体材料中的电隔离结构，其中所述电隔离结构至少部分包围所述光电检测器。
8.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述量子点层中的个别量子点包括化学组分以展现多重激发生成。
9.根据权利要求8所述的光电检测器，其中对于由所述量子点层接收的所述光的每一光子，所述量子点层经电耦合以将一个以上的电荷载子传递至所述第二掺杂区域。
10.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述量子点层具有第一导带能级，且所述第二掺杂区域具有第二导带能级，其中所述第一导带能级大于所述第二导带能级以使得所述图像电荷从所述量子点层流到第二掺杂区域。
11.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述量子点层与所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域接触，并电耦合至所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域。
12.一种图像传感器，其包括：
多个光电二极管，其包含：
安置在半导体材料中的p-n结；及
安置在所述半导体材料中的沟槽中的量子点层，其中所述量子点层电耦合到所述p-n结以将图像电荷转移至所述p-n结，且其中所述量子点层经安置以接收光且响应于所述光而产生所述图像电荷；
电隔离结构，其安置在所述半导体材料中以减小所述多个光电二极管中的个别光电二极管之间的电流；
传递门及浮动扩散区，其中所述传递门电耦合至所述p-n结以将所述图像电荷从所述p-n结传递到所述浮动扩散区。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述量子点层中的个别量子点包含金属硫族化合物。
14.根据权利要求12所述的图像传感器，其进一步包括覆盖层，其中所述覆盖层经安置以覆盖所述半导体材料中的所述沟槽，且其中所述覆盖层囊封所述量子点层。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，其进一步包括微透镜层，其中所述覆盖层安置在所述量子点层与所述微透镜层之间，且其中所述微透镜层将光引导到所述量子点层中。
16.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述电隔离结构包含形成在所述半导体材料中的掺杂阱。
17.一种图像传感器操作的方法，所述方法包括：
将图像电荷积累在多个光电二极管中，其中所述多个光电二极管中的个别光电二极管彼此电隔离，且其中所述多个光电二极管包含：
安置在半导体材料中的p-n结；及
安置在所述半导体材料中的沟槽中的量子点层以响应于吸收光而产生图像电荷，其中所述量子点层电耦合到所述p-n结；
使用所述p-n结从所述量子点层提取所述图像电荷以分离形成在所述量子点层中的空穴-电子对；及
响应于施加至传递门的门端子的传递信号而将所述图像电荷从所述个别光电二极管中的所述p-n结传递到多个浮动扩散区，其中所述传递门安置于所述多个光电二极管和所述多个浮动扩散区之间。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括通过微透镜层将光引导到所述多个光电二极管中，其中所述微透镜层经定位以将光聚焦在所述多个光电二极管上。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括用安置在所述微透镜层与所述多个光电二极管之间的彩色滤光器层来将光滤光。
20.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括将光滤光，其中所述量子点层基于所述量子点层中的个别量子点的大小将光滤光。
21.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括经由读出电路从所述图像传感器读出所述图像电荷。
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