CN106941779A - 集成束缚模式频谱/角度传感器 - Google Patents

Abstract

一种2D传感器阵列包括半导体衬底和布置在半导体衬底上的多个像素。每一个像素包括耦合区和结区，以及平板波导结构，所述平板波导结构布置在半导体衬底上并且从耦合区延伸到区。平板波导包括布置在第一包覆层与第二包覆层之间的限制层。第一包覆和第二包覆每一个具有比限制层的折射率低的折射率。每一个像素还包括布置在耦合区中和平板波导内的耦合结构。耦合结构包括具有不同折射率的至少两种材料，其布置为由光栅周期限定的光栅。结区包括与电接触件连通的p‑n结以用于偏置和收集由入射辐射的吸收引起的载流子。

Description

集成束缚模式频谱/角度传感器

对相关申请的交叉引用

本申请要求2014年6月9日提交的美国临时专利申请序列号62/009,832和2015年1月5日提交的美国临时专利申请序列号62/099,981的优先权，其整体内容通过引用并入本文。

政府支持陈述

本发明是在国家科学基金会授予的批准号EEC0812056的政府支持下做出的。政府对本发明具有一定权利。

技术领域

本发明一般涉及照明领域，特别是包括传感器的智能照明，并且具体地涉及集成束缚模式频谱/角度传感器的领域。

背景技术

将室内照明向能量高效的LED系统进行转换为以下提供众多机会：将照明的功能从当今的适度通/断/调光控制增加到利用LED的电子兼容性和灵活性的新的智能照明范式。这种新的照明范式包括用于增强工人/学生生产力的照明、诸如巩固人类睡眠/清醒循环的昼夜周期转换之类的健康效应、用于缓解日益增长的无线瓶颈的可见光通信（VLC）、以及用于提供定制照明的占用/活动感测。

将利用以跨可见光的不同颜色处的多个LED实现最高照明效力，从而消除在磷光体颜色转换中固有的能量损耗。VLC将要求具有来自多个灯具的多个LED的多输入多输出（MIMO）架构，以提供必要的聚集Gbps数据速率并且支持当人们与其个人设备一起移动时的移动性。光具对健康和生产力有许多影响；频谱以及强度变化对于优化人类环境是重要的。除了来自LED的改进效力的节约之外，甚至更大的能量节约连同更加舒适的体验，通过将照明适配于人类活动而可得到。

当前存在开发牵涉具有横跨400 nm至700 nm可见光谱的4至10个独立颜色的每一个灯具中的多个LED的智能照明的趋势。在本领域中需要提供将允许宽色域的智能照明，而且要求复杂控制系统以适配于不同照明条件、家具和墙壁、地板、天花板的不同影响和/或不同灯具中的LED的不同老化。虽然当今的彩色相机包括诸如可以集成以供用在智能照明中的光敏像素的组件，但是需要用于智能照明传感器的角度和频谱分辨率要求相当不同于传统相机的角度和频谱分辨率要求，该传统相机要求角度非敏感性并且仅具有带有三个相对宽带且频谱重叠的颜色滤波器（RGB）。最常见地，当今的彩色相机利用直接位于相机的硅光敏像素的顶上的染料吸收剂，其典型地具有~100 nm或更大的频谱带宽。

针对智能照明组件的开发技术的尝试包括用于应用于数字相机的颜色像素的焦平面颜色滤波器。在红外频谱区中已经广泛研究了半导体检测器的表面等离子体波（SPW）增强。典型地，在IR中，方案是耦合至束缚于金属-半导体界面的SPW。这允许使用更薄吸收区（因而具有更低噪声电流）和更长吸收路径（沿像素而不是跨结深度）。然而，该方案由于硅跨可见光谱的高且强烈变化的吸收而不适合于可见光谱。另一问题是所要求的光栅的小尺度，该尺度为~λ/n，其中n（半导体折射率）对于硅而言跨可见光谱为4至5。此外，SPW方案的限制包括：1）可见光中的相对高金属光学损耗约束可用带宽；频谱宽度典型地为100至200 nm，比期望的带宽大一个数量级；并且2）透射低，典型地不大于10%，从而限制测量的灵敏度。

虽然已经存在远场滤波（平面波到平面波）的许多示范，但是呈现了耦合到硅材料以用于检测的相对少的示范。在这样少的示范中，线宽已是宽的，典型地为100至200 nm。术语“等离子体激元”一般覆盖限定在金属-电介质界面上的扩展（传播）表面等离子体波（SPW）和与金属颗粒、金属膜中的孔、金属盘等相关联的局部表面等离子体共振（SPR）二者。SPW和SPR的角度响应相当不同，其中取决于表面周期性SPW具有窄角度响应，而SPR一般具有角度无关的响应。在任何实际等离子体结构中，这两个共振相互作用，从而给出复杂、波长相关的角度响应。同时，像素一般是小的，由个体像素是亚10微米的高像素计数相机中的趋势所驱动。另外，许多研究已经示范了基于通过金属膜中的孔阵列的非凡光学透射的远场滤波器方案，在该方案中滤波器的远场透射用作频谱选择量。作为实现远场状况所要求的长传播距离的结果，该方案难以以方便的形状因子实现，所述远场状况要求滤波器元件与硅检测器阵列隔开。

其它工作集中在与衬底上制作的2D波导的辐射耦合上。例如，由光栅耦合器和透明衬底上的单模平板波导构成的导模共振（GMR）滤波器已经示范了反射和透射中的角度和频谱灵敏度二者。非共振时，GMR滤波器简单地充当电介质，其中通常入射功率的大部分被简单地透射。在共振时，光栅将入射光子中的一些耦合到波导中并且将波导中的传播光子耦合回到经反射和透射的波束中。作为该过程中固有的相移的结果，外耦合的光子巩固经反射的波并且破坏性地干涉经直接透射的光以降低经透射的功率。由于波导无损耗并且光栅是大的（许多波长），因此实现极其狭窄的共振响应。

电信波长处的波导集成光学器件已经示范了光栅耦合到波导模式中可以提供必要的频谱和角度滤波，其中最近示范在从2D波导到单模光纤的转换中仅有0.6 dB损耗。

在本领域中所需要的是一种设备，该设备包括可以利用可缩放、可制造过程（例如不要求用于每一个所期望的波长/角度设置的分离制作步骤）集成到硅表面上的具有颜色和角度灵敏度二者的颜色像素，从而提供制造便利性和减小的形状因子二者。

另外，硅吸收跨可见光变化得相当大。在蓝色波长（大约400 nm）下，硅的吸收相当强，具有仅~100 nm的1/e吸收长度。相比之下，在频谱的红色端（大约700 nm），硅1/e吸收长度是~8微米（80倍长）。作为结果，硅光电检测器的响应率同样跨可见光变化。对于蓝色灵敏度，结深度必须相当浅，在短1/e吸收长度内，该长度难以利用传统CMOS制作过程来实现。因此，本发明的另一目的是提供一种CMOS兼容的p-n结技术，该技术适应蓝色光子到硅中的短穿透深度。

发明内容

本文所描述的一些实施例使用：到金属上传播的束缚模式的光栅耦合，所述金属可以涂敷有二氧化硅的保护层；以及通过金属隧穿到底层硅p-n结（例如所制作的硅晶片）的光子。本文所描述的一些实施例使用到沿硅晶片的表面传播的束缚模式的光栅耦合。这些可以是束缚于金属/电介质界面的表面等离子体波，或者由电介质叠层（典型地为低折射率包覆、高折射率限制层和低折射率包覆）限制的波导模式。

在实施例中，存在一种2D传感器阵列。2D传感器阵列包括半导体衬底和布置在半导体衬底上的多个像素。所述多个像素中的每一个包括至少一个耦合区和至少一个结区，以及布置在半导体衬底上并且从所述至少一个耦合区延伸到所述至少一个结区的平板波导结构。平板波导包括布置在第一包覆层与第二包覆层之间的限制层。第一包覆和第二包覆每一个具有比限制层的折射率低的折射率。所述多个像素中的每一个还包括布置在耦合区中和平板波导内的至少一个耦合结构。耦合结构包括具有不同折射率并且布置为由光栅周期限定的光栅的至少两种材料。结区包括与电接触件连通的p-n结以用于偏置和收集由入射辐射的吸收引起的载流子。

在另一实施例中，存在一种2D传感器阵列。2D传感器阵列包括多个像素，所述多个像素至少包括第一像素和第二像素。第一和第二像素中的每一个包括平板波导部分、单模波导部分、用于使入射光从平板波导部分成漏斗状到单模波导部分中的绝热锥形部分、以及基本上邻近于单模波导部分形成的多个共振分插滤波器。平板波导包括：布置在第一包覆层与第二包覆层之间的限制层，其中第一包覆和第二包覆每一个具有比限制层的折射率低的折射率；以及光栅，布置在第一包覆层中以用于将入射光耦合到平板波导中。第一像素的光栅具有第一光栅周期，并且第二像素的光栅具有第二光栅周期。

在另一实施例中，存在一种CMOS兼容的光电检测器。CMOS兼容的光电检测器包括掺杂有第一载流子类型的第一半导体层和掺杂有第二载流子类型的第二半导体层。第一半导体层包括多个柱。第二半导体层配置有延伸通过第二半导体层的多个孔。至少一个柱延伸通过蜂窝图案中的所述多个孔中的对应一个。蜂窝图案包括多个边缘部分，所述多个边缘部分中的每一个包括耗尽区区域中的相应一个。

在另一实施例中，存在一种检测电磁辐射的方法。方法包括提供2D传感器阵列。2D传感器阵列包括：包括多个像素的半导体衬底。所述多个像素中的每一个包括：至少一个耦合区和至少一个结区；布置在半导体衬底上并且从耦合区延伸到结区的平板波导结构；以及在结区中与半导体衬底形成至少一个p-n结的局部半导体层。平板波导包括：布置在第一包覆层与第二包覆层之间的限制层，其中第一包覆和第二包覆每一个具有比限制层的折射率低的折射率。像素还包括布置在平板波导中的至少一个光栅。所述至少一个光栅包括光栅周期。方法还包括：在耦合区处将入射光耦合到平板波导中；在结区域之上向该区传播光；去耦合光使得它进入结区；以及将光转换成至少一个电子-空穴对，其中入射光包括至少一个经调制的波形。

实施例的优点将在随后的描述中被部分地陈述，并且将根据描述部分地被理解，或者可以通过本发明的实践而被知悉。将借助于在随附权利要求中特别指出的元件和组合来实现和获得优点。

要理解的是，前述一般描述和以下详细描述二者仅是示例性和解释性的，并且不约束如所要求保护的发明。

被合并在本说明书中并且构成本说明书的部分的附图图示了本发明的实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

图1是CMOS兼容的集成等离子体检测器的元件的截面视图。

图2A-2B是示出等离子体结构的顶部上的示例性2D光栅的不同扫描电子显微照片（SEM）视图的图像。

图3是使用互连层的等离子体结构的顶部上的机械光孔的示例性实现的截面侧视图。

图4是放置在等离子体设备与光电检测器之间的波长共振结构的示例性实现的截面视图。

图5A-5B示出包括经由被示出为框图（图5B）的片上电路电子接入的光电检测器（图5A）的密集阵列的传感器。

图6A是根据实施例的集成波导增强CMOS兼容的全光检测器元件的透视图。

图6B是根据图6A中所示的结构的所制作的集成波导增强CMOS兼容全光检测器元件的光学显微照片图像。插图是耦合和检测区中的光栅的SEM图像。

图6C是集成传感器检测器元件的另一实施例的透视图。

图7A-7B图示了实施例的波导滤波器的截面侧视图（图7A）和顶视图（图7B）。

图8A-8B图示了实施例的波导滤波器的截面侧视图（图8A）和顶视图（图8B）。

图9是实施例的波导滤波器的顶视图并且图示了使用啁啾光栅来调节集成传感器检测器元件中的所检测到的光的带宽。

图10A是实施例的波导滤波器的顶视图并且图示了弯曲光栅（图10A）和更小检测器元件的使用。

图10B是实施例的波导滤波器的顶视图并且图示了组合的啁啾和弯曲光栅耦合器。

图11是实施例的波导滤波器的顶视图并且图示了更加复杂的光栅耦合器在包括具有多个结区域的单个耦合区域的集成传感器检测器元件中的使用。

图12A-12B每一个是实施例的相应波导滤波器的顶视图并且每一个进一步图示了使用更复杂的光栅耦合器来利用组合耦合区域将功能扩展到多个波长。

图13图示了包括在一端渐缩到单模导向器的平板波导的实施例，所述单模导向器包括基于用于隔离各种频谱区的圆形共振回音廊结构的分插滤波器。

图14A是示出针对不同波长（652.3 nm、532.2 nm和407.8 nm）的RGB激光源的单个光栅耦合的波导检测器的实验获得的角度分辨率的图。放大视图示出了针对TE（实线）和TM（点线）实验（圆形）和仿真（虚点）的结果。

图14B是示出针对RGB激光源的单个光栅耦合的波导检测器的实验获得的角度分辨率的图。底部图示出关于具有320 nm和380 nm的光栅周期的相同波导的结果。320 nm光栅结果在顶部图中放大并且与模拟曲线（被示出为更粗的曲线）比较。

图14C-14D是示出针对具有作为参数的光栅周期的特定实现的角度频谱响应的图。

图15是分别示出理想光电检测器和商用光电检测器的理想（基本极限、单一量子效率）和实际响应率的图。

图16是示出所测量到的响应率（光电流）与所制作的光电检测器上的激光波束的位置的关系的图。

图17A-17C图示了平面p-n检测器的顶视图（图17A）、第一部分的截面区域（图17B）和第二部分的截面区域（图17B）。未示出衬底（p）接触件。

图18A-C是实施例的CMOS兼容的蜂窝p-n检测器的顶视图（图18A）、第一部分的截面视图（图18B）和第二部分的截面区域（图18C）。

图19A是示出针对具有实施例的蜂窝p-n结设备的检测器的频谱响应数据与典型检测器的平面p-n结的关系的图。

图19B是示出由蜂窝结构实现的光电流改进的图。

具体实施方式

现在将详细参照本实施例，其示例被图示在附图中。在任何可能的情况下，将遍及各图使用相同的参考数字来指代相同或相似的部分。

尽管阐述本发明的宽范围的数字范围和参数是近似，但是在特定示例中阐述的数字值被尽可能精确地报告。然而，任何数字值固有地包含必然由在其相应测试测量中发现的标准偏差引起的某些误差。而且，本文所公开的所有范围要理解成涵盖归入在其中的任何和所有子范围。例如，“小于10”的范围可以包括在最小值零与最大值10之间（并且包括该最小值和该最大值）的任何和所有子范围，也就是说，具有等于或大于零的最小值和等于或小于10的最大值的任何和所有子范围，例如1至5。在某些情况下，如针对参数陈述的数字值可以采取负值。在该情况下，被陈述为“小于10”的范围的示例值可以取负值，例如-1、-2、-3、-10、-20、-30等。

仅出于说明目的而参照附图来描述以下实施例。本领域技术人员将领会到，以下描述本质上是示例性的，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下做出对本文所阐述的参数的各种修改。意图在于仅将说明书和示例视为示例。各种实施例未必相互排斥，因为一些实施例可以与一个或多个其它实施例组合以形成新的实施例。

本文描述了用于LED照明应用的CMOS兼容的全光（角度和波长）检测器。在一些实施例中，全光传感器具有频谱（30 nm）和角度（100 mrad；5°）分辨率二者。另外，这样的传感器可以基于可缩放硅IC平台以满足大规模市场成本目标，可以具有低剖面以得到宽安装灵活性，并且不具有诸如光栅旋转之类的任何移动部分以用于制造和操作简化性和鲁棒性。

本文描述了全光传感器波导检测器元件的实施例。实施例的检测器元件可以合并在一个或多个像素，诸如可以被包括在CMOS兼容的光电检测器中的2D像素阵列。在这样的实施例中，光栅耦合用于沿硅晶片的表面传播的束缚模式。束缚模式可以是被束缚于金属/电介质界面的表面等离子体波，如在图1中所示的传感器元件100、300和400中那样，或者由电介质叠层（典型地为低折射率包覆、高折射率限制层、和低折射率包覆）限制的波导模式，如在图6A的传感器元件600、图6C的传感器元件600’、图7A的传感器元件700和图8A的传感器元件800中那样。

在任一情况下，用于耦合的相位匹配条件通过方程（1）给出：

(1),

其中θ _in 是入射角度（-1 < sinθ _in <1），j是整数（±1, ±2,…），λ _in 是光学波长，d是光栅周期；并且k _mode(λ _in )是典型地通过将波导结构和入射波长考虑在内的色散关系给出的模态波矢量。

如果光以变化的角度入射，如光例如针对安装在墙壁上的传感器，其中光直接来自多个照明器（即分离且扩展的光源，诸如灯泡或LED）以及还来自房间周围的多个反射，根据耦合方程（1），以不同角度的光以不同波长被耦入。也就是说，耦合方程（1）取决于入射角度和波长二者。该问题必须被解决以提供传感器频谱输出与入射角度之间的关系。由于目标是作为入射角度的函数的频谱，因此该相关性是所期望的。然而，必要的是从测量结果对两个轴去卷积。因此，要求两个测量轴分离出两个相关性。通过改变相邻像素上的光栅周期来提供一个测量轴。第二测量轴要求：a）检测器有源表面上方的盲板（blind）结构以控制入射角度，或者b）共振频率测量结构（类似于沿波导的一系列共振分插滤波器）以分离出频谱。因此，通过直接固定一个轴，例如，作为所测量到的信号的角度（在盲板的情况下）或波长（在共振滤波器的情况下），可以从所测量到的信号导出另一个轴。在盲板结构的情况下，存在设置角度的部分，并且所接收到的颜色则是光栅间距的函数。在波导结构的情况下，存在提供角度和波长的卷积（对应于sinθ/λ）的部分以及然后是提供波长信息的一系列共振分插滤波器。

对于电子可控LED，每一个颜色可以具有独特的电子签名，该电子签名可以编码颜色，从而消除对于直接波长测量的需要。也就是说，可以电子地分离信号。该电子编码可以在远高于人类感知的频率下，因此它不具有对照明功能的影响。

表面等离子体波频谱/角度检测

在实施例的一个集合中，频谱/角度分离利用硅检测器顶上的等离子体引导结构来实现。只要Re(ε _d +ε _m ) < 0，金属膜就支持与金属膜的每一侧上的金属/电介质界面相关联的表面等离子体波（SPW）。SPE是沿界面传播并且指数地衰减到金属和电介质二者中的束缚模式。

对于Ag/SiO₂界面，跨可见光满足该条件。对于Ag/Si界面，在频谱的蓝色端违反该条件，使得SPW不跨整个可见光存在。因此在实施例的该集合中，耦合是到上部Ag/电介质界面。对于足够薄的金属，SPW还调解通过金属的透射，从而造成底层p-n结处的频谱/角度响应。

如图1中所示，在一些实施例中，全光传感器元件100可以包括半导体衬底111。表面等离子体波支持结构113、光栅耦合器115和光电检测器117可以每一个布置在传感器元件100之上。衬底可以是硅衬底，例如p型硅衬底。虽然本文所描述的实施例中的一些包括具有n扩散的p衬底以创建结区域，但是其它配置是可能的。例如，本文所描述的实施例可以替代性地包括与p扩散一起使用的n衬底以创建结。光电检测器可以包括合并在衬底111中的薄n型扩散层119。等离子体结构113可以利用等离子体层123形成，等离子体层123可以包括布置在衬底111之上的金属。在某些实施例中，等离子体层123可以是薄的连续金属片，该连续金属片最小化所要求的制造步骤以及因而最小化生产成本。等离子体层123可以包括铝，其提供蓝光区中的最佳已知等离子体性能。

在某些实施例中，可以在等离子体层123与光栅115之间添加保护层125。保护层125保护等离子体层123以防空气污染和使衬底恶化。保护层可以包括氧化铝，可以使用蒸发、激光或电子束烧蚀或原子层沉积（ALD）技术来沉积该氧化铝。

在某些实施例中，具有低折射率的间隔物层121可以作为等离子体层的金属片与配准设备之间的间隔物而添加。这样的间隔物通过除耦合到等离子体振子（其展现出漏模行为）中的光之外的零阶和所有更高阶所导致的消逝场的大幅衰减而有益于设备的频谱响应（选择性）。在实施例中，低折射率电介质层125可以包括Al₂O₃，和/或间隔物层121可以包括SiO₂。

光栅可以布置在等离子体层123之上以用于耦合光到表面等离子体振子中。在某些实施例中，多个周期性结构127（诸如多个Si/空气周期性结构）可以用作耦合光栅115。这样的耦合光栅具有在可见光范围中可得到的最高折射率对比之一，因而提供高耦合效率而同时保留与CMOS处理的高兼容性。在某些实施例中，耦合光栅可以被实现为放置在低折射率间隔物元件131（诸如电介质，其可以是SiO₂）的顶部上的高介电常数元件129（半导体或金属）。高介电常数元件129与低折射率间隔物元件131的这样的组合提供与等离子体消逝场内的周围介质的降低的有效折射率结合的高光栅耦合效率。这允许具有带有较大光栅间距的相同滤波窗口，因而允许简化制作。在某些实施例中，1D耦合光栅可以用于包含对全光传感器的偏振灵敏度。在某些实施例中，2D方形（图2A-2B）或2D六边形图案化（未示出）耦合光栅可以用于使得能够实现偏振非敏感操作。

返回图1，光栅115的周期（例如周期性结构127的周期）可以为近似λ/n_d，其中n_d是电介质的折射率。硅/金属界面处的表面等离子体振子未被良好限定，因为硅的介质常数（ε）（跨可见光ε =16至ε =25）大于金属的实部的幅度（ε ~10）。替代性地，实施例耦合到等离子体层123的另一侧上的等离子体振子（其可以涂敷有二氧化硅的保护间隔物层121，ε ~2.25）并且通过薄金属将光子隧穿到底层硅。换言之，全光传感器元件100可以提供到等离子体层123上方的（低折射率）电介质125的耦合和通过等离子体层123到底层半导体的透射。

传感器元件100还可以包括至少接触等离子体层123的表面等离子体波（SPW）接触件112和接触n型扩散层119的n接触件114。传感器元件100还可以包括p接触件（在图1中不可见）。

如以上所讨论的，附加滤波结构333可以用于解决如图3中所图示的等离子体滤波结构的角度-波长简并。例如，在某些实施例中，机械光孔335、335’可以用作布置在设备100之上的附加滤波结构，如图3中所示。机械光孔减少入射在特定设备元件上的光340的角度散布，因而消除简并。

在某些实施例中，波长共振结构412中的至少一个，如图4中所示，可以合并在全光传感器元件400中。可以将波长共振结构412添加到元件100，如以下所描述的。例如，附加滤波结构可以放置在等离子体层123与光电检测器117之间，从而将图1的元件100修改为如图4中所示的元件100’。波长共振结构412可以包括交替的电介质层414、416和418，并且还可以合并层121。交替的电介质层414、416、418和122一起被配置为若干Fabry-Perot共振器，该共振器具有不同的自由频谱范围和以仅经过连续体的特定带宽的这样的方式设计的中心频率，因而消除简并。

在某些实施例中，完整传感器由使用片上电子器件接入的波长/角度p-n结光电检测器的阵列构成。在图5A上示出这样的阵列的示例。阵列包括多个像素，其中每一个像素包括以上描述的全光传感器元件100、300或400中的相应一个。

等离子体结构可以包括形成在诸如第一电介质层之类的保护层与第二电介质层之间的连续金属片，其中连续金属片包括银。角度滤波结构包括用于减少入射光的角度散布并且用于减少简并的机械光孔。等离子体结构还可以包括形成在第一电介质层上的光栅化（grated）电介质层。光栅化电介质层和第二电介质层可以每一个包括SiO₂和/或第一电介质层可以包括Al₂O₃。耦合光栅可以包括光栅化半导体/空气周期性结构。耦合光栅可以包括从布置在低折射率间隔物上的半导体或金属选择的高介电常数元件，其中高介电常数元件可以包括比低折射率间隔物更高的介电常数。耦合光栅可以包括1D耦合光栅、2D方形耦合光栅或2D六边形图案化的耦合光栅。第一和第二像素中的每一个还可以包括光电检测器和波长共振滤波结构，其中波长共振滤波结构布置在等离子体结构与光电检测器之间。波长共振结构可以包括多个Fabry-Perot共振器，每一个具有对应的自由频谱范围和中心频率，其中Fabry-Perot共振器可以配置成仅允许通过等离子体设备的光连续体的预确定带宽的经过。2D阵列传感器的像素可以与片上电子器件电连通，或者它可以键合到读出集成电路（ROIC），如图5B中所示。2D阵列还可以包括半导体衬底和多个p-n结。所述多个像素可以布置在半导体衬底上。

电介质波导频谱/角度检测

所有电介质限制的导模提供对金属-电介质SPW的较低损耗可替换方案。因此，在实施例中，使用与CMOS兼容的Si光电检测器集成的无损波导，提供了到波导模式中的波导耦合以用于对可见光谱的频谱和角度滤波。包括如本文所描述的波导的全光传感器容易满足以上描述的频谱和角度分辨率要求，容易可缩放到阵列架构，并且容易地将提供对于可见光通信VLC要求的RF带宽和带外抑制。

为了保持CMOS兼容性，图6A中的全光传感器元件600可以包括三层波导结构613。波导结构613可以包括布置在衬底611（其可以是硅衬底）之上的第一低折射率包覆层621、高折射率限制层623和第二低折射率包覆层625（例如SiO₂/Si₃N₄/SiO₂波导）。第一低折射率包覆层621和第二低折射率包覆层625可以每一个包括SiO₂。高折射率限制层623可以包括Si₃N₄。波导层的折射率包括：SiO₂-1.5，Si₃N₄~2.2。波导结构的层可以是跨可见光谱而透明的。普通技术人员将理解到，用于波导层的其它材料组合是可得到的并且在没有明确引用的情况下被包括在本文中。

在操作中，入射光640以特定波长和耦合区640’处的入射角度耦合到波导613，从而提供频谱/角度滤波功能。入射光通过位于耦合区640’处的光栅耦合器615耦合到波导613中。光栅耦合器615包括多个电介质格栅627。光然后从波导613下游从位于结区640’’的外耦合光栅615’处的耦合区外耦合到制作在底层硅衬底611中并且包括至少一个p-n结的光电检测器617。结区域615’处的第二光栅用于将光外耦合到光电检测器的半导体检测区中。因此，第一低折射率包覆层621的厚度应当被选择成确保场不明显延伸到吸收性硅衬底611中，限制层623的厚度应当被选择成在沉积方向上确保单模，并且第二低折射率包覆层625的厚度应当被选择成控制耦合强度。

首先利用适当的掺杂分布来限定p-n结。由于有源区域相当大，因此一种可替换方案是使用单个扩散过程来限定结区域。可替换地，可以使用离子注入和退火，如本领域中公知的那样。在结形成之后，通过适当的沉积技术来沉积波导的盖层——下部包覆、波导芯和上部包覆。诸如溅射、蒸发和旋涂（除其它之外）之类的技术是可用的并且是公知的。一个或多个光刻和图案转移步骤接下来用于限定内耦合和外耦合区。附加的标准光刻/蚀刻/金属沉积/退火步骤用于提供电接触件和p-n结之上的罩盖以保护它免于直接光照。

如图6C中所示，集成全光传感器元件600的可替换结构包括波导613以及第一光栅627和第二光栅628。利用检测区域之上（诸如在第二光栅615’的部分之上）的罩盖628’，以消除对检测器元件的直接光照。罩盖628’可以是不透明材料，例如比~100 nm更厚的金属。分离层（未示出）取决于上部包覆的厚度和耦合器的蚀刻深度而可能是必要的。

在示例中，光电检测器617可以包括衬底611的n掺杂区619，衬底611可以是p型衬底。全光传感器将要求包括这样的检测元件的像素阵列，元件中的至少两个具有不同的间距或取向光栅。光栅耦合器615连同单模平板波导613一起提供必要的角度/波长选择性，如根据以上描述的耦合方程（1）明显的。

波导的参数被选择成提供跨可见光的单个（TE、TM）模式对，从而允许使用不同光栅来调节个体像素角度/波长耦合共振。

在单模平板波导中，该板的模折射率跨1.5（在长波长处，例如包覆的折射率）至2.2（在短波长处，例如芯的折射率）的范围而变化。在没有光栅的情况下，不存在用于从顶部入射在该波导上的光的耦合，因为模相位速度总是慢于自由空间中的光的速度。正如SPW情况中那样，该动量不足可以利用光栅构成。容易实现非常高的耦合效率，其逼近100%。由于波导是无损的，因此共振线宽在SPW情况中小得多。所测量到的线宽是以下各项的函数：1）光栅的宽度；2）所光照的光栅宽度；以及3）光栅耦合强度。如以下所图示的，其中所光照的光栅宽度在弱耦合限制中为200μm，利用200μm宽的耦合区域实现~5 nm的分辨率。通过以下若干技术来调节共振线宽是可能的：1）啁啾（使间距跨收集区域而变化）光栅，以及2）包括有损元件，例如但不限于波导中的硅纳米颗粒以增加波导损耗。将必要的是设计共振带宽与耦合区和检测区之间的传播长度之间的适当工程折衷。

在图7A-7B中所示的全光传感器元件的一个实现中，入射光740由位于耦合区域740’处的第一电介质耦合光栅727耦合到平板波导713中。当光在金属块714（其被放置成屏蔽p型衬底711的n型部分719之间的p-n结）之下传播时，位于结区域740’’处的第二外耦合光栅727’使光外耦合到半导体检测区717中。如所示，耦合常数更高（例如光栅齿部更深）使得外耦合发生在相对于耦合光栅727的更短的距离中。在图7B中，顶视图示出两个像素，每一个像素包括传感器元件700中的一个并且被示出为700-1和700-2。每一个像素被示出具有光栅周期p1和p2中的相应一个，其中像素700-1的光栅周期p1不同于像素700-2的光栅周期p2。

在图8A中所示的另一实现中，取代于具有诸如元件700的第二光栅727’之类的第二（外耦合）光栅，元件800包括结区域740’’处的底座部分828。然而，元件800仍旧包括耦合区域740’处的第一光栅815。同样位于结区域740’’处的底座部分828从衬底延伸使得来自较低折射率包覆层721的消逝场到达较高折射率硅。也就是说，外耦合光栅基于将n型部分719与p型衬底711之间的硅p-n结带到包覆721中而被漏模外耦合所取代。因此，在该漏模几何形状中，场将耦合到硅中的辐射模式并且将检测信号。制造细节在这些外耦合可替换方案之间作出决定方面将是重要的。在图8B中，顶视图示出两个像素，每一个像素包括传感器元件800中的一个并且被示出为800-1和800-2。每一个像素被示出具有类似于图7B的光栅周期p₁和p₂的光栅周期中的相应一个，其中光栅周期p₁不同于光栅周期p₂。

针对图7A-7B和8A-8B的元件描述的波导方案具有与以上描述的实施例的SPW方案相同的角度和频谱响应的卷积。相应地，以上关于图4和5A-5B呈现的方案同样可以应用在图6A-6B的波导实施例中。

对于SiO₂/Si₃N₄/SiO₂波导，平板波导的模折射率可以在大约1.5至大约2.2之间。电介质光栅可以包括第一电介质光栅并且平板波导还可以包括布置在金属块与半导体层之间的第二电介质光栅。第二电介质光栅可以包括高于第一电介质光栅的耦合常数的耦合常数，使得第二电介质光栅将光外耦合到检测区中。第二电介质光栅的所述多个外耦合光栅可以具有比第一多个光栅的耦合强度更大的耦合强度，从而实现光学信号的集中。第一和第二电介质光栅中的每一个可以包括多个光栅齿部，并且第二电介质光栅的齿部可以比第一电介质光栅的齿部更厚。第一光栅周期可以不同于第二光栅周期。布置在金属块之下的衬底的部分可以包括将p-n结延伸到第一包覆层中的凸起部分。

在实施例中，图8A-8B中描述的设备的p-n结可以被交错的肖特基势垒（未图示）取代而不要求任何掺杂。肖特基势垒接触件的指部还可以充当外耦合光栅。

如以上所讨论的，可以通过改变跨耦合区的耦合光栅的间距来调节针对固定入射角度的频谱选择性的带宽。这在图9中图示，图9示出类似于图示的图6C的传感器元件600’的传感器元件900的顶视图。传感器元件900包括具有跨耦合区的可变间距的啁啾光栅915和可以为固定或啁啾的结区中的外耦合光栅915’。为了表示的简化性，在图9-12B中未示出防止结区域（例如图8A中的714）的直接光照的顶部罩盖。啁啾光栅915在调节用于特定应用的频谱分辨率方面将是重要的。特别地，典型发光二极管（LED）具有~20至40 nm的带宽，为了确保适当的覆盖，最好将测量的分辨率设置成~20 nm。

耦合光栅不限于直线段。例如，在图10A中，示出类似于图6C的传感器元件600’的传感器元件1000的顶视图。传感器元件1000包括耦合区1040’中的弯曲光栅1015，其包括弯曲光栅段的集合。弯曲光栅1015用于将入射光聚焦在2D波导板（例如613）内，以允许其中定位外耦合光栅1015’的更小有源结区域1040’’。这具有在降低的区域空间使用方面、降低的检测器暗噪声方面和在增加检测器速度（降低的电容）方面具有优点。在图10B中，类似于图6C的传感器元件600’的传感器元件1000’包括在耦合区1040’’处既弯曲又啁啾的光栅1015’’’。因此可以组合控制带宽和聚焦以减小有源结区域的大小的啁啾。

在另一实施例中，图11示出类似于图6C的传感器元件600’的传感器元件1100的顶视图。传感器元件1100在具有跨结区1140’’的公共收集区域的结区域处包括多个外耦合光栅1115’-1、1115’-2和1115’-3。如图11中图示的，传感器元件1100还包括三个不同的间距弯曲耦合光栅1115’-1、1115’-2和1115’-3，如在插图中所示，该光栅被组合以形成弯曲光栅1115。例如，每一个光栅1115’-1、1115’-2和1115’-3倾斜使得焦点在距中心线的不同角度处。为了简化，光栅1115’-1、1115’-2和1115’-3被示出为单个间距光栅，但是它们也可以是啁啾的以调节带宽。这三个光栅被示出在底部图中与三个耦合光栅1115’-1、1115’-2和1115’-3在相应结区域处重叠以接收由每一个光栅跨结区1140’’收集的辐射。收集区域光栅几何形状的细节可以被调节成将所收集到的波导辐射优化到每一个结区域中。

图12A-B图示了用于检测器元件的实施例的附加收集方案。图12A示出类似于图6C的传感器元件600’的传感器元件1200的顶视图。然而，传感器元件1200包括交叉耦合光栅1215-1，其被示出为具有在两个正交方向上并且位于耦合区1240’-1中的不同间距光栅。对于法向入射辐射，光栅将把相同的波长耦合到两个结区域（例如上/下和左/右结）。对于偏离法向的入射辐射，两对结区将耦合到不同的波长辐射，如在以上的方程（1）中所描述的。在图12B中扩展该概念，图12B示出类似于图6C的传感器元件600’的传感器元件1200’的顶视图。传感器元件1200’被示出具有耦合区1240’-2处的耦合光栅1215-2。耦合光栅1215-2包括重叠的四个啁啾和弯曲光栅，以将输入光馈送到具有对结区域1240’’-1、1240’’-2、1240’’-3和1240’’-4的不同角度/频谱响应的四个结区域中，外耦合光栅1215’-1、1215’-2、1215’-3和1215’-4中的相应多个位于该结区域。如以上那样，耦合光栅结构的细节可以被调节以优化系统响应，并且结构的最终细节很可能将不是个体光栅结构的简单叠加。每一个结区域顶上的外耦合光栅被调节成对应于每一个内耦合光栅。这不是关键的调节，因为Si的吸收独立于来自辐射的表面法向的入射角度。该概念不固有地限于用于单个收集区域的四个结区域，而是可以扩展到提供附加的功能。例如，可以存在四个（或更多个）结区，诸如用于方形（或其它形状）耦合区域的每一侧的至少一个。

在可替换的实施例中，传感器元件可以包括波导插入/分出滤波器。例如，如图13中所示，平板波导1313’可以渐缩到单模导向器1313。作为角度/频谱组合的结果，该单模导向器中的频谱将反映角度和波长的特定组合。可以基于圆形共振回音廊结构的分插滤波器918可以被添加以隔离各种频谱区。分插滤波器1318可以用于提供光栅耦合的光的频谱分析。三角形区段1314’是使光成漏斗状到单模波导1313中的绝热锥形。分插滤波器可以是共振回音廊共振器并且可以造成分离的检测器1320。因为检测器在之前的情况中可以小得多，因此针对这样的实施例的检测速度可以明显增加。这还造成光的集中，实际上是提供如与大面积检测器相比增强的信噪比性能的平面“透镜”。可以替代于或与这些回音廊结构组合使用在本领域中公知的其它波长共振结构。

如以上结合图9-12B所讨论的，存在复用耦合区以提供角度/频谱域中的某种分离的机会。平板波导1313’可以是以上描述的任何平板波导。例如，平板波导可以包括：布置在第一包覆层与第二包覆层之间的限制层，其中第一包覆和第二包覆每一个具有比限制层的折射率更低的折射率；以及简单或复杂的电介质光栅，布置在第一包覆层中用于将入射光耦合到平板波导中。每一个分插滤波器与结区的相应一个连通。

此外，合并传感器元件（诸如在2D像素阵列的像素中）的传感器——诸如光电检测器——可以提供受限角度范围的检测或宽角度范围的检测。在示例中，通过使用如在例如图3的示例中的波导结构上方的挡板来控制受限角度范围。在这样的配置中，方程（1）中的sinθ值固定并且仅保留一个变量。因此，每一个耦合/结区对暴露于针对单个光栅的单个波长。另一方面，对于宽角度范围的检测，不使用挡板并且存在满足方程1的sinθ和λ的不同值。因此，潜在地存在从每一个耦合区传播到每一个结区的多个波长。相应地，智能照明系统可以配置有光源的布置，光源诸如是发射至少一个波长的光的至少一个发光二极管。在多个发光二极管和/或多个不同波长的情况下，每一个波长可以由智能照明系统标识，例如由至少一个发光二极管广播的相应标识签名。所感测到的光可以通过智能光系统的底层电子器件部分而与电子签名关联。然而，图13的传感器元件实施例提供用于提供由插入/分出滤波器1318组提供的光的物理分离的可替换方案。

示例1A——波导检测器元件

根据图6A中图示的架构来构造由具有下述光栅耦合的硅衬底之上的电介质波导构成的光栅耦合的波导检测器元件：该光栅耦合为入射辐射既到波导中又从波导外耦合到在空间上与输入耦合器偏移的硅p-n结中。

波导的参数被选择成提供跨可见光的单个（TE、TM）模式对，从而允许使用不同的光栅调节个体像素角度/波长耦合。对于第一实验，具有1μm厚度的SiO₂（n_SiO2~1.5）下部包覆用于确保低波导损耗和消除到硅中的泄漏。Si₃N₄引导层为200 nm厚（n_Si3N4~1.8）和顶部包覆被调节以控制耦合强度。对于在此报道的测量，顶部包覆厚度为~30 nm，从而提供从~2mm（405nm）变化到~5 mm（652nm）的耦合长度。耦合光栅是光致抗蚀剂光栅（100 nm的厚度），其中320 nm的周期在内和外耦合（检测器）区二者之上延伸。光电二极管是具有利用CMOS兼容过程制作在硅晶片上的0.5μm结深的标准p-n检测器。

示例1B——实验结果

对于示例1A的经波导滤波的CMOS兼容的光电检测器的初始测试，作为光源的激光器用于简化测量。使用不同波长（652.3、532.2和407.8 nm）的基于二极管的多模RGB激光器来测试所制作的设备。实验装置由激光光源、随后是红外滤波器、偏振器、长焦距透镜和孔构成，以提供跨~200x200μm²耦合区的均匀光照并且避免结区的任何直接光照。

在测量期间，扫描入射波束相对于光栅的光照角度，从而示范了所要求的角度/波长/偏振分辨率。所测量到的角度频谱比理论预测更宽并且示出某种精细结构，其很可能对应于激光器的多模特性。对于利用亮源的这些原理证明实验，光电检测器在0V处偏置使得仅本征耗尽区是有源的。在每一个角度处，所测量到的光电流被归一化到激光功率以补偿功率波动。角度分辨率从红色中的~0.5°变化到蓝色中的~0.25°。图14A示出针对三个波长的所测量到的光电流与激光器的功率的归一化比率。

示例2A——经波导滤波的CMOS兼容的光电检测器

将波导选择成提供跨可见光的单个（TE、TM）模式对，从而允许使用不同光栅调节个体像素角度/波长耦合共振。具有320 nm周期的光致抗蚀剂耦合光栅（100 nm的厚度）跨包括内和外耦合（检测器）区二者的整个设备扩展。耦合长度从1.5 mm（在405nm处）变化到3 mm（在652nm处）。

示例2B——实验结果

对于示例2A的经波导滤波的CMOS兼容的光电检测器的测试，我们使用激光器作为光源以简化测量。使用波长652.3、532.2和407.8 nm的基于二极管的多模RGB激光器来测试所制作的设备。实验装置由激光光源、随后是红外滤波器、偏振器、长焦距透镜和孔构成，以提供跨~200x200μm2耦合区的均匀光照并且避免结区的任何直接光照。

以共振波长和角度的入射光被光栅散射并且耦合到波导中，传播到结区域并且去耦合到光电检测器中。非共振光不耦合到波导中并且被反射或透射到远离光电检测器有源区的硅中并且在硅中被吸收，并且不贡献于光电流。利用6弧秒的分辨率来扫描入射波束相对于光栅的光照角度。

图14B示出针对具有相同波导结构但是320和380 nm的不同光栅间距的两个测量集合的所测量到的光电流与每一个激光源的入射功率的归一化比率。针对两个间距的结果为了清楚起见是竖直偏移的。所测量到的角度频谱比理论预测略宽（以下讨论）并且示出某种精细结构，其很可能对应于激光器的多模特性。线宽是裸露（没有光栅）波导的散射/吸收传播损耗和对应于耦合区域的宽度（光栅的物理尺寸、光照点大小或耦合长度中的最小者）的频谱宽度的卷积。在这些实验中，激光点大小（~200μm）是对所观察到的线宽的主要贡献。

图14C示出针对不同光栅周期的波长与耦合角度的关系。示出光栅的多个阶。（例如标记800/2是指800 nm间距光栅的第二阶）。指示实验点。图14D示出固定角度处的波长与光栅周期的关系。指示前向和后向散射状况二者。对于两个图，实线为TE模式并且虚线为TM模式。

使用蜂窝结构的高响应率蓝色增强CMOS兼容的光电检测器

可见光颜色（包括蓝色）的改进的响应率和检测是用于智能照明的光传感器的重要规范之一。由于蓝色光子的能量在可见光谱中最高，因此光电检测器对蓝色光子的响应率基本上最低（与λ成比例）。也就是说，在硅带隙能量（BG）以上，对于固定量子效率，响应率随λ/BG缩放，因为对于每一个光子吸收仅生成一个电子-空穴对而与波长无关。另外，蓝色频谱区中的硅的高吸收系数造成对于常规p-n结检测器的低量子效率，在常规p-n结检测器中耗尽区埋到硅中一定距离。图15示出理想（基本极限，例如λ/BG响应）和实际响应率，其在较短波长处偏离理想响应，从而确认蓝色光子遭受相对于较长波长光子的降低的灵敏度。

蓝色增强光电检测器在商业上是可得到的；然而，该检测器的制作要求非标准PIN过程，这使它是成本低效的。因为蓝色光子的吸收系数是高的，因此它们正常在非常靠近光电检测器表面处（在400 nm波长处，光电吸收长度为~100 nm）被吸收。为了增强蓝色光子的量子效率，人们必须使耗尽区尽可能靠近表面。这实际上非常难制作，因为表面上的p或n区需要最小厚度。然而，在其中例如在p区中制作n阱的检测器的边缘处，耗尽区已经接触表面。因此，光电检测器的边缘呈现最高响应率。对简单、大面积平面p-n结设备使用激光波束扫描技术的实验（如图16中所图示的）确认光电检测器的边缘呈现最高响应率。例如，当激光波束到达检测器的边缘（激光波束的方向由插图中的指向右的箭头指示）时存在响应率（光电流）中的22%超调量。该增强很可能是低估的，因为它在波束大小上进行平均，这限制分辨率和峰值增强。

相应地，在实施例中存在具有包括p-n结的结构的CMOS兼容的光电检测器。结构的p-n结的边缘部分可以用于改进检测器响应率。该结构具有蜂窝外观，其包含有源光电检测器区域内的大量边缘和增强的p-n结区域（耗尽区体积）。

图17A-17C图示了具有平面结结构的常规p-n检测器1700的顶部和侧视图（布局和截面）。如通过分别沿图17A的虚线A-A’和B-B取得的图17B和17C的截面所示，平面n型层1701布置在平面p型层1703之上。两个视图示出跨设备，p型和n型层跨设备的所选宽度是平面的（即两个视图是等同的）。

同时，图18A-18C图示了利用结边缘来增强检测器响应率的实施例的蜂窝p-n检测器结构1800的顶部和侧视图（布局和截面）。蜂窝p-n检测器结构包括第一半导体层1803和第二半导体层1801。第一半导体层1803可以掺杂有第一载流子类型（例如p型掺杂剂）并且可以包括多个柱1803’。第二半导体层1801可以掺杂有第二载流子类型（例如n型掺杂剂）并且可以配置有延伸穿过第二半导体层的多个孔。孔可以布置为孔阵列。第二半导体层1803的含孔图案可以被视为多个互连的开放单元。相应地，孔可以包括开放单元的开放部分。在实施例中，开放单元可以具有任何形状，包括任何分形形状。

柱1803’可以延伸穿过蜂窝图案中的多个孔中的对应一个。在实施例中，蜂窝图案包括多个边缘部分，所述多个边缘部分中的每一个包括耗尽区区域中的相应一个。蜂窝图案因而包括单个p-n结。

分别在图18B和18C中示出对应于标记为A-A’和B-B’的割线的两个截面。在图18B中示出穿过第二半导体1801的孔的中心的割线A-A，其中柱1803’延伸穿过第二半导体层1801中的孔。在图18C中示出到第二半导体1801的孔的侧面的割线B-B’，其中第二半导体层1801布置在第一半导体1803上。沿割线B-B’的半导体层1801和1803的部分被配置为图18C的常规检测器设计中的层1701和1703。

虽然图18A示出具有方形蜂窝晶格的蜂窝结构，但是不同配置是可能的，只要所有p区和所有n区电连续即可。蜂窝光电检测器中的耗尽区的更加复杂的结构增强跨可见光的响应率。如以上讨论的，通过使耗尽区高达硅的表面来增强蓝色响应。对于较长波长——其中吸收深度到材料中远得多——复杂的耗尽区的增强体积，相比于简单的平面结结构，造成增强的响应。扩展的耗尽区体积还对应于增加的暗电流和因而对应于增加的接收器噪声。许多自由度可用于在优化该光电检测器中采用。这样的自由度包括但不限于，蜂窝单元的大小和几何形状、单元的深度、掺杂浓度等。对于不同使用，例如高速度、高响应率、低噪声，将存在不同的优化。在本文中合并这些变型中的每一个。

蜂窝检测器的制作不要求相比于常规平面光电检测器的任何附加掩模或制作步骤。蜂窝单元可以容易地通过修改有源区的布局来实现。掺杂可以通过任何公知的掺杂技术（诸如扩散或离子注入和退火）进行。离子注入对于小蜂窝几何形状和对于高深度与平面尺寸纵横比率是有利的。本文所公开的实施例的p-n结中的任何一个可以配置为p-n蜂窝结构，诸如p-n蜂窝结构1800。

换言之，在实施例中，存在包括第一半导体层的CMOS兼容的光电检测器，所述第一半导体层与第二半导体层接触以形成p-n结，其中光电检测器包括有源光电检测器内的多个边缘部分，所述多个边缘部分中的每一个对应于在垂直于边缘部分的方向上延伸到半导体的p和n区二者中的耗尽区，其中所述多个边缘部分增强检测器响应率，并且还包括蜂窝结构。

在实施例中存在一种智能照明系统，所述智能照明系统包括本文所描述的2D阵列和/或CMOS兼容光电检测器实施例中的至少一个。实施例的2D传感器阵列和/或CMOS兼容的光电检测器可以与电子器件电连通。在实施例中，2D传感器阵列和/或CMOS兼容的光电检测器可以凸块键合到具有电子器件的硅芯片。在实施例中，2D传感器阵列和/或CMOS兼容的光电检测器可以具有用于读出合并在其中的“像素值”的电子器件。2D传感器阵列和/或CMOS兼容的光电检测器可以具有跨380 nm到700 nm可见光谱的7至21个频谱范围内的大约20nm到大约50 nm的频谱范围。在其它实施例中可以存在具有~1 nm频谱分辨率的420个检测器以覆盖可见光。2D传感器阵列和/或CMOS兼容的光电检测器可以配置成接收光在大约15°间隔处的-60°至60°（f/1.75）的极角以及沿分离120°的3至4个方位角的8个角度处的10至13个角度样本。以上描述的至少一个实施例的2D传感器阵列和/或CMOS兼容的光电检测器还可以包括大约150个像素。实施例的2D传感器阵列可以被包括在CMOS兼容的光电检测器中，其中每一个像素具有极角和方位角二者中的大约10°的受限角度接受。例如，在其中每一个像素的角度接受被约束的配置中，仅一个波长耦合到每一个结区域并且不存在对于波长分离的需要。

在实施例中，存在一种使用本文所描述的2D传感器阵列和/或CMOS兼容的光电检测器中的一个或多个的方法。例如，在使用中，光生成束缚于传感器的金属-电介质界面的表面等离子体波。可替换地，光生成由波导的电介质叠层限制的波导模式。相应地，方法可以包括提供2D传感器阵列。2D传感器阵列可以包括本文所描述的任何传感器元件。例如，2D传感器阵列可以包括半导体衬底，所述半导体衬底包括可以布置在衬底上的多个像素。所述多个像素中的每一个可以包括至少一个耦合区和至少一个结区、从耦合区延伸到结区的布置在半导体衬底上的平板波导结构、以及结区中的至少一个p-n结。局部半导体层可以在结区中与半导体衬底形成至少一个p-n结。例如，局部半导体层可以具有第一导电性类型（例如掺杂有具有诸如p或n型之类的第一导电性类型的掺杂剂）并且衬底可以具有第二导电性类型（例如掺杂有具有与第一类型导电性相反的第二导电性类型的掺杂剂）。平板波导可以包括布置在第一包覆层与第二包覆层之间的限制层，其中第一包覆和第二包覆每一个具有比限制层的折射率更低的折射率。像素还可以包括布置在平板波导中的至少一个光栅。至少一个光栅可以包括光栅周期。方法还可以包括：在耦合区处将入射光耦合到平板波导中；向结区域之上的区传播光；去耦合光使得它进入结区；以及将光转换成至少一个电子-空穴对，其中入射光包括至少一个经调制的波形。可以诸如通过与2D传感器阵列连通的电子器件来收集电子-空穴对，所述电子器件诸如是包括与控制器电子连通的2D传感器阵列的智能照明系统的电子器件，控制器进而控制至少一个（诸如多个）光源。

本文所描述的2D传感器阵列和/或CMOS兼容的光电检测器包括传感器，所述传感器接收光学输入（例如光场）并且将它转换成有意义的电输出。在实施例中，电输出可以代表在不同入射角度下的一系列强度与波长关系图线，或者等效的是在不同波长下的强度与入射角度关系图线。

图19A示出常规p-n检测器（诸如图17A的检测器）和实施例的蜂窝p-n检测器（诸如图18A中的检测器）的频谱响应。蜂窝检测器示范了与常规检测器相比的响应率中的明显改进。图19B示出蜂窝p-n检测器相对于常规p-n检测器的光电流增加。

虽然已经关于一个或多个实现而说明了本发明，但是可以对所说明的示例做出更改和/或修改而不脱离随附权利要求的精神和范围。此外，虽然可能已经关于若干实现中的仅一个公开了本发明的特定特征，但是这样的特征可以与如对于任何给定或特定功能而言可能所期望和有利的其它实现的一个或多个其它特征组合。

另外，在详细描述和权利要求中使用术语“包含着”、“包含”、“具有”、“有着”、“带有”或其变型的程度上，这样的术语意图以类似于术语“包括”的方式是包括性的。如本文所使用的，例如，短语A、B和C“中的一个或多个”意味着以下中的任何一个：单独的A、B或C；或两个的组合，诸如A和B、B和C以及A和C；或三个A、B和C的组合。

考虑说明书和实践本文所公开的发明，本发明的其它实施例将对本领域技术人员是显而易见的。意图在于将说明书和示例视为仅是示例性的，其中本发明的真实范围和精神由随附权利要求指示。

Claims (34)

1.一种2D传感器阵列，包括：

半导体衬底，

布置在半导体衬底上的多个像素，其中所述多个像素中的每一个包括：

至少一个耦合区和至少一个结区；

平板波导结构，布置在半导体衬底上并且从所述至少一个耦合区延伸到所述至少一个结区，并且包括布置在第一包覆层与第二包覆层之间的限制层，其中第一包覆和第二包覆每一个具有比限制层的折射率低的折射率；以及

布置在耦合区中和平板波导内的至少一个耦合结构，所述耦合结构包括具有不同折射率并且布置为由光栅周期限定的光栅的至少两种材料，

其中结区包括与电接触件连通的p-n结以用于偏置和收集由入射辐射的吸收引起的载流子。

2.权利要求1的2D传感器阵列，其中p-n结包括掺杂有第一载流子类型的第一半导体层和掺杂有第二载流子类型的第二半导体层。

3.权利要求2的2D传感器阵列，其中衬底包括第一半导体层或第二半导体层。

4.权利要求1的2D传感器阵列，还包括与p-n结电连通的电子器件，并且其中p-n结被偏置以收集光生载流子。

5.权利要求1的2D传感器阵列，其中平板波导的模折射率在约1.5到约2.2之间。

6.权利要求1的2D传感器阵列，其中所述至少一个耦合结构包括：定位在耦合区中的用于将入射光耦合到平板波导中的第一电介质光栅和定位在结区之上的平板波导区中的用于将光从波导耦合到结区中的第二电介质光栅。

7.权利要求6的2D传感器阵列，其中第二电介质光栅包括比第一电介质光栅的耦合常数更高的耦合常数，使得第二电介质光栅在比耦合区的空间范围更小的空间范围内将光外耦合到p-n结中。

8.权利要求6的2D传感器阵列，其中第一和第二电介质光栅中的每一个包括多个光栅齿部并且第二电介质光栅的齿部比第一电介质光栅的齿部更厚。

9.权利要求6的2D传感器阵列，其中所述多个像素中的至少两个具有不同的光栅周期。

10.权利要求6的2D传感器阵列，其中第一电介质光栅包括耦合区中的啁啾光栅并且第二光栅包括结区中的固定和啁啾光栅。

11.权利要求6的2D传感器阵列，其中第一电介质光栅包括耦合区中的弯曲光栅。

12.权利要求6的2D传感器阵列，其中第一电介质光栅包括耦合区中的啁啾和弯曲光栅。

13.权利要求6的2D传感器阵列，其中第一电介质光栅包括多个叠加的弯曲光栅，其中所述多个叠加的弯曲光栅中的至少两个具有不同的间距，并且其中第二光栅包括对应于所述多个叠加的弯曲光栅中的每一个的多个光栅。

14.权利要求13的2D传感器阵列，其中所述结区包括多个结区。

15.权利要求14的2D传感器阵列，其中所述多个结区中的每一个包括相应间距，其中至少一个结区的间距不同于其他结区的间距。

16.权利要求6的2D传感器阵列，其中第一电介质光栅包括耦合区域中的交叉光栅，所述交叉光栅包括具有第一间距的第一斜光栅和具有第二间距的第二斜光栅，所述第二斜光栅布置成与第一斜光栅正交，

其中至少一个结区包括第一结区和第二结区，并且

其中第二电介质光栅包括第一结区中的第一外耦合光栅以接受由第一斜光栅耦合的波导光，以及第二结区中的第二外耦合光栅以接受由第二斜光栅耦合的波导光。

17.权利要求6的2D传感器阵列，其中第一电介质光栅包括耦合区中的多个重叠的啁啾和弯曲光栅，

其中所述至少一个结区包括多个结区，并且

其中第二电介质区包括多个结光栅，每一个结光栅布置在所示多个结区中的相应一个中并且具有角度/频谱响应中的相应一个。

18.权利要求1的2D传感器阵列，还包括布置在平板波导上方的金属块以将p-n结屏蔽免受直接光照。

19.权利要求18的2D传感器阵列，还包括布置在金属块与平板波导之间的电介质间隔物。

20.权利要求18的2D传感器阵列，其中所述至少一个耦合结构包括：定位在耦合区中的用于将入射光耦合到平板波导中的第一电介质光栅和布置在金属块与半导体衬底的局部结区域之间的结区中的第二电介质光栅。

21.权利要求18的2D传感器阵列，其中布置在金属块之下的衬底的部分包括将p-n结延伸到第一包覆层中的凸起部分。

22.权利要求1的2D阵列，其中，其中p-n结包括掺杂有第一载流子类型的第一平面半导体层和掺杂有第二载流子类型的第二平面半导体层。

23.权利要求1的2D阵列，p-n结包括掺杂有第一载流子类型并且包括多个柱的第一半导体层，以及掺杂有第二载流子类型的第二半导体层，所述第二半导体层配置有延伸穿过第二半导体层并且配置在蜂窝图案中的多个孔，

其中柱中的至少一个延伸穿过蜂窝图案中的所述多个孔中的对应一个；

其中蜂窝图案包括多个边缘部分，所述多个边缘部分中的每一个包括耗尽区区域中的相应一个。

24.权利要求23的2D阵列，其中第一半导体层包括p型半导体层并且第二层包括n型半导体层。

25.一种包括权利要求1的任何2D传感器阵列的智能照明系统，其中2D传感器阵列具有400 nm至700 nm可见光谱内的6至15个频谱范围上的约20 nm至约50 nm的频谱范围。

26.权利要求25的智能照明系统，其中2D传感器阵列配置成接收光在大约15°间隔处的-60°至60°（f/1.75）的极角以及沿分离120°的3至4个方位角的8个角度处的10至13个角度样本，其中每一个像素具有极角和方位角二者中的大约10°的受限角度接受。

27.一种2D传感器阵列，包括：

多个像素，至少包括第一像素和第二像素，其中第一和第二像素中的每一个包括：

平板波导部分，

单模波导部分，

绝热锥形部分，用于使入射光从平板波导部分成漏斗状到单模波导部分中，以及

基本上邻近于单模波导部分形成的多个共振分插滤波器，

其中平板波导包括

布置在第一包覆层与第二包覆层之间的限制层，其中第一包覆和第二包覆每一个具有比限制层的折射率低的折射率，以及

布置在第一包覆层中以用于将入射光耦合到平板波导中的光栅，

其中第一像素的光栅具有第一光栅周期并且第二像素的光栅具有第二光栅周期。

28.权利要求27的2D传感器阵列，其中每一个分插滤波器配置成分出第一波长带，布置成向检测器传输第一波长带并且配置成向分插滤波器中的随后一个传输第二波长带，从而提供波导中的光的频谱。

29.权利要求27的2D传感器阵列，其中2D阵列配置成在2π球面度的大部分上接收入射光。

30.一种CMOS兼容的光电检测器，包括：

掺杂有第一载流子类型并且包括多个柱的第一半导体层，以及掺杂有第二载流子类型的第二半导体层，所述第二半导体层配置有通过第二半导体层延伸的多个孔，其中至少一个柱通过蜂窝图案中的所述多个孔中的对应一个延伸，其中蜂窝图案包括多个边缘部分，所述多个边缘部分中的每一个包括耗尽区区域中的相应一个。

31.权利要求30的CMOS兼容的光电检测器，其中蜂窝结构包括单个p-n结。

32.一种智能照明系统，包括权利要求30的CMOS光电检测器。

33.一种检测电磁辐射的方法，包括：

提供2D传感器阵列，所述2D传感器阵列包括：

包括多个像素的半导体衬底，

其中所述多个像素中的每一个包括：

至少一个耦合区和至少一个结区，

布置在半导体衬底上并且从耦合区延伸到结区的平板波导结构，以及

在结区中与半导体衬底形成至少一个p-n结的局部半导体层，

其中平板波导包括布置在第一包覆层与第二包覆层之间的限制层，其中第一包覆和第二包覆每一个具有比限制层的折射率低的折射率，以及

布置在平板波导中的至少一个光栅，所述至少一个光栅包括光栅周期；

在耦合区处将入射光耦合到平板波导中；

在结区域之上向该区传播光；

去耦合光使得它进入结区；以及

将光转换成至少一个电子-空穴对；

其中入射光包括至少一个经调制的波形。

34.权利要求33的方法，其中所述至少一个经调制的波形包括由至少一个发光二极管广播的相应标识签名。