CN106960854B - 等离子纳米结构传感器像素 - Google Patents
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Abstract
第一等离子纳米结构传感器像素包括半导体基板和多个金属柱。半导体基板具有上表面和上表面下方的光电二极管区域。多个金属柱至少部分地嵌入在基板中并从上表面在与上表面基板垂直的方向中延伸。第二等离子纳米结构传感器像素包括(a)具有上表面的半导体基板，(b)在上表面上的氧化物层，(c)在上表面和氧化物层之间的薄膜涂层，以及(d)多个金属纳米颗粒，多个金属纳米颗粒(i)至少部分地在上表面和氧化物层之间并且(ii)至少部分地嵌入在薄膜涂层和氧化物层的至少一个中。第三等离子纳米结构传感器像素包括第一和第二等离子纳米结构传感器像素的特征。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及等离子纳米结构传感器像素。
背景技术
低成本的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的发展有贡献于大容量消费品(例如，移动设备和机动汽车)中彩色照相机模块的包含。这样的照相机模块的发展包括红外线(IR)检测能力的包含和由此的可见和红外光谱带的双模成像，这对应用(例如，姿势识别和深度分析)是重要的。
在此，术语“IR光”、“IR电磁辐射”和“IR波长”指的是波长在λ≈0.75μm和λ≈1.1μm之间的电磁能量。λ≈1.1μm的上限对应CMOS图像传感器中硅的带隙能量。相似地，术语“可见光”、“可见电磁辐射”和“可见波长”指的是波长在0.40μm和0.75μm之间的电磁能量。
图1示出移动设备190的照相机模块120。图2是照相机模块120的剖视图。照相机模块120包括成像透镜222和具有像素阵列200的图像传感器250。成像透镜222能够对从物体234传播至像素阵列200上的光232成像。图像传感器250可以包括设备裸片(device die)206，例如，设备裸片206使用CMOS工艺实施，然而在不脱离其范围的情况下，设备裸片206可以使用其他技术实施。设备裸片206电连接至印刷电路板(PCB)230。
图3是可兼容用于像素阵列200中的现有技术的IR敏感像素300的剖视图。IR敏感像素300包括显微透镜376和硅基板320之间的IR带通滤光器374。基板320包括光电二极管区域322并由半导体(例如硅)形成。在不否定基板320对于滤光器374作为基板的功能的情况下，基板320可以包括不同材料的层和区域。
IR敏感像素300的问题在于，硅基板320吸收红外光远远比其吸收可见光的效率低。入射到介质表面的光的电场在介质中距表面的距离处衰减至其初始值的e-1，其中κ(λ)是介质在波长λ处的折射率的虚部。对于硅，在λ＝500nm(绿光)处的κ(λ)大于在λ＝830nm(近IR)处的κ(λ)的十倍，这意味着，与可见光相比，在被吸收前，IR光在硅中大概传播十倍远。与可见光相比，此IR光降低的吸收限制像素阵列200对IR光的灵敏度。
发明内容
在第一实施例中，等离子纳米结构传感器像素包括半导体基板和多个金属柱。半导体基板具有上表面和上表面下方的光电二极管区域。多个金属柱至少部分地嵌入在基板中并从上表面在与上表面基本垂直的方向中延伸。
在第二实施例中，等离子纳米结构传感器像素包括(a)具有上表面的半导体基板，(b)在上表面上的氧化物层，(c)在上表面和氧化物层之间的薄膜涂层，和(d)多个金属纳米颗粒，多个金属纳米颗粒(i)至少部分地在上表面和氧化物层之间并且(ii)至少部分地嵌入在薄膜涂层和氧化物层的至少一个中。
等离子纳米结构传感器像素的第三实施例包括第一实施例和第二实施例的特征。
附图说明
图1示出包括照相机模块的移动设备。
图2是包括具有像素阵列的图像传感器的图1的照相机模块的剖视图。
图3是图2的像素阵列的现有技术的IR敏感像素的剖视图。
图4A和图4B是实施例中等离子纳米结构传感器像素的剖视图。
图5示出图4A和图4B的等离子纳米结构传感器像素的实施例的模拟的归一化(normalized)量子效率。
图6示出图4A和图4B的等离子纳米结构传感器像素的实施例的模拟的量子效率。
图7A和图7B是实施例中等离子纳米结构传感器像素的剖视图。
图8是图7A和图7B的等离子纳米结构传感器像素的实施例的归一化量子效率的图。
图9是实施例中等离子纳米结构传感器像素的剖视图。
具体实施方式
图4A和图4B是等离子纳米结构传感器像素400的剖视图。等离子纳米结构传感器像素400可兼容用于像素阵列200中。图4A的剖视图在坐标系498的x-z平面内。图4B的剖视图沿图4A的剖面B-B'并在坐标系498的x-y平面内。等离子纳米结构传感器像素400包括基板420中被布置成阵列439的多个金属柱430。
基板420由半导体(例如硅)形成，且在不脱离其范围的情况下可以包括不同材料的层和区域。金属柱430可以由贵金属(例如铝、金、银、铂和铜)或其合金形成。基板420具有上表面421，其可以是平面的(如图4A所示)或非平面的。
等离子纳米结构传感器像素400还可以包括绝缘层440和光学单元470的至少一个。光学单元470包括抗反射(AR)涂层471、氧化物层472、滤色镜474和显微透镜476的至少一个，如图4A所示。例如，滤色镜474是IR带通滤色器。例如，绝缘层440是具有5nm和10nm之间的厚度的氧化铪(铪(IV))层。
显微透镜476具有光轴477且每个柱430具有纵轴437。每个柱430的纵轴437可以与光轴477平行，如图4A所示。可选地，柱430的纵轴437可以与光轴477基本平行，其中在此基本平行指示的是纵轴437和光轴477偏离平行小于5度。在这样的实施例中，纵轴437与基板420的表面421基本垂直。可选地，纵轴437可以偏离与表面421垂直相交大于5度。
例如，AR涂层471是具有55nm和60nm之间的厚度t的五氧化二钽层。五氧化二钽可以被形成为非晶薄膜并在λ＝900nm处具有折射率n＝2.1。在不脱离其范围的情况下，AR涂层471可以是晶体的。
阵列439是具有柱间隔a＝400nm(此后“柱间隔432”)的方形阵列且每个金属柱430具有柱直径2r＝150nm(此后“柱直径431”)，使得阵列439具有区域填充因子f＝πr2/a2＝0.11。在不脱离其范围的情况下，柱直径431可以在80nm和250nm之间且对应的区域填充因子f可以在0.030和0.31之间。与显著较小的直径(例如，小于80nm)相比，具有150nm直径(或更通常地，宽度)的金属柱的优点在于具有较大半径的柱比具有较小宽度的柱允许在当前CMOS铸造工艺中更高的产量。
在不脱离其范围的情况下，柱直径431和柱间隔432可以具有不同的值，且阵列439可以是不同类型的周期阵列(例如六边形阵列或矩形阵列)或非周期阵列。金属柱430具有如图4B所示的圆形的剖面。在不脱离其范围的情况下，金属柱430可以具有非圆形的剖面(例如椭圆形、多边形)，或约当曲线(Jordan curve)的剖面。在此，多边形剖面包括具有一个或多个圆角的多边形。
基板420包括具有光电二极管宽度424的光电二极管区域422。在坐标系498的z方向，光电二极管区域422在距基板420的上表面421的距离423处起始并在距离425处终止。距离423可以等于0使得上表面421的至少部分是光电二极管区域422的表面。
柱430从上表面421在基板420中延伸距离433。例如，距离433在1.0μm和2.5μm之间。至少一个柱430可以具有与上表面421共平面的上表面435，如图4A和4B所示。可选地，柱430可以整体地在表面421下方，使得其完全地嵌入在基板420中。柱430可以部分地嵌入在基板420中使得柱430的部分突出表面421之上进入绝缘层440且可选地进入光学单元470的一个或多个部件。
图4A示出超过距离423的距离433，使得至少一个柱430延伸至光电二极管区域422中。距离433还可以超过距离425使得至少一个柱430延伸穿过光电二极管区域422。可选地，距离423可以超过距离433，使得没有柱430延伸至光电二极管区域422中。
图4A示出超过柱间隔432的光电二极管宽度424。可选地，光电二极管宽度424可以小于柱间隔432。柱430可以具有相等的长度，如图4A所示，或可以具有不同的长度，例如作为在坐标系498的x-y平面平行的平面中距离光轴477的距离的函数。
用于表述的目的，图4A示出具有跨越10个柱430的像素宽度402(像素宽度402超过10a)并具有具有跨越每个柱430的光电二极管宽度424的一个光电二极管区域422的等离子纳米结构传感器像素400。像素宽度402和光电二极管宽度424可以是关于柱间隔432的不同的尺寸。例如，像素宽度402可以在1.0μm和3.0μm之间。
图5是没有滤色镜474且其中金属柱430是铝的实施例等离子纳米结构传感器像素400的归一化量子效率500的图。归一化量子效率500是等离子纳米结构传感器像素400的模拟量子效率除以与像素400相同然而没有金属柱的像素的模拟量子效率。即，金属柱430被硅代替。使用时域有限差分(FDTD)软件包计算归一化量子效率500。在示于图5的波长范围内，归一化量子效率500在大于740nm的波长处超过单位1(unity)。增强的量子效率至少部分地由入射到上表面421上的IR光与柱430的表面上传播的等离子体的耦合产生。
图6是如图4A和图4B所示的其中金属柱430是铝的实施例等离子纳米结构传感器像素400的量子效率600的图。量子效率602是与像素400相同的、除了其没有金属柱430的像素的量子效率。量子效率600在大于约0.74μm的波长处超过量子效率602。使用FDTD软件包计算量子效率600和602。
图7A和图7B是等离子纳米结构传感器像素700的剖视图。等离子纳米结构传感器像素700可兼容用于像素阵列200中。图7A的剖视图在坐标系798的x-y平面内。图7B的剖视图沿图7A的剖面7B-7B'并与坐标系798的x-y平面平行。等离子纳米结构传感器像素700包括基板720的表面721上的多个金属纳米颗粒730。金属纳米颗粒730嵌入在涂层760和氧化物层472中并被布置成阵列739，示于图7B中为平面方形阵列。等离子纳米结构传感器像素700还可以包括滤色镜474和显微透镜476的至少一个，如图7A所示。氧化物层772、滤色镜474和显微透镜476是光学单元770的部分。
基板720包括距上表面721距离723的光电二极管区域722。距离723可以等于0使得表面721的至少部分是光电二极管区域722的表面。表面721可以是如图7A中所示的平面的，或者，在不脱离其范围的情况下，可以是非平面表面。
涂层760可以包括多于一个层，如图7A所示，其中涂层760包括绝缘层740和AR涂层771，在没有纳米颗粒730嵌入其中的情况下，绝缘层740和AR涂层771分别与绝缘层440和AR涂层471相似。AR涂层771是光学单元770的部分且剖面7B-7B'穿过AR涂层771。在此，纳米颗粒730不被看作是层740、涂层771或涂层760的部分。在不脱离其范围的情况下，涂层760可以是单一均匀层。
阵列739是具有等于0.30μm的颗粒间隔732的方形阵列且每个金属纳米颗粒730具有等于0.1μm的直径731。在表面721之上具有等于直径731的高度的体积734内，纳米颗粒730具有等于百分之六的体积填充因子。在不脱离其范围的情况下，体积填充因子可以与百分之六不同。直径731可以在0.1μm和0.4μm之间。如图7A和图7B所示，金属纳米颗粒730是球形的使得直径731与表面721之上的金属纳米颗粒730的高度对应。
金属纳米颗粒730可以由贵金属(例如铝、金、银、铂和铜)或其合金形成。直径731和颗粒间隔732可以具有不同的值，且阵列739可以是不同类型的周期阵列(例如六边形阵列或矩形阵列)或非周期阵列。一个或多个金属纳米颗粒730可以是非球形的，例如，金属纳米颗粒730可以是椭圆体的、圆柱体的、胶囊形的和圆盘形的(例如，类似冰球的)的一个。
图8是其中由铝形成金属纳米颗粒730的等离子纳米结构传感器像素700的归一化量子效率800的图。图8还示出归一化量子效率802和804。归一化量子效率802与没有纳米颗粒730的等离子纳米结构传感器像素700的响应对应。归一化量子效率804与没有涂层760的等离子纳米结构传感器像素700的响应对应。归一化量子效率800、802和804是使用FDTD方法计算的并由与像素700相同的既没有金属纳米颗粒730也没有涂层760的像素的模拟量子效率归一化的。在示于图8的波长范围内，归一化量子效率在约0.74μm和0.95μm之间的波长处超过单位1。增强的量子效率部分由传播穿过涂层760的IR光与金属纳米颗粒730上传播的表面等离子体的耦合产生。
等离子纳米结构传感器像素可以包括像素400的金属柱430(图4A和图4B)和像素700的金属纳米颗粒730(图7A和图7B)。例如，图9是等离子纳米结构传感器像素900的剖视图。等离子纳米结构传感器像素900可兼容用于像素阵列200中。像素900包括具有坐标系998的x-y平面中的其上表面421的基板420。在x-y平面的正向侧(z>0)，像素900与像素400相同。在x-y平面的负向侧(z<0)，像素900与像素700相同。在像素900中，距离423、柱430和纳米颗粒730的尺寸和间距可以被共同地优化以对特定光谱区域(例如近IR光谱区域)中的光增大量子效率。
在不脱离其范围的情况下，上述的和下面所请求的特征可以以各种方式进行组合。以下示例示出一些可能的、非限制性组合：
(A1)等离子纳米结构传感器像素包括半导体基板和多个金属柱。半导体基板具有上表面和上表面下方的光电二极管区域。多个金属柱至少部分地嵌入在基板中并从上表面在与上表面基本垂直的方向中延伸。
(A2)如(A1)表示的像素还可以包括在上表面上的光学单元，光学单元包括抗反射涂层、氧化物层、滤色镜和显微透镜的至少一个。
(A3)在如(A1)和(A2)的一个表示的像素中，多个柱的一个的上表面可以与基板的上表面共平面。
(A4)在如(A1)至(A3)的一个表示的像素中，每个柱的至少部分可以在光电二极管区域中。
(A5)在如(A1)至(A4)的一个表示的像素中，多个柱的每个可以具有超过50纳米的最小宽度和小于1微米的最大宽度。
(A6)在如(A1)至(A5)的一个表示的像素中，多个柱的每个可以具有接近上表面的顶端和与顶端相对并位于基板内的底端。顶端和底端之间的距离可以在1微米和3微米之间。
(A7)在如(A1)至(A6)的一个表示的像素中，多个柱可以形成周期阵列。
(A8)在如(A7)表示的像素中，阵列可以具有0.030和0.31之间的区域填充因子。
(A9)在如(A1)至(A8)的一个表示的像素中，多个柱的一个在与基板的表面平行的平面中可以具有非圆形剖面形状。
(A10)在如(A1)至(A9)的一个表示的像素中，多个柱的每个可以由选自由铝、金、银、铂和铜组成的组的一种或多种材料形成。
(A11)如(A1)至(A10)的一个表示的像素还可以包括(a)上表面上的氧化物层，(b)上表面和氧化物层之间的薄膜涂层和(c)多个金属纳米颗粒，多个金属纳米颗粒(i)至少部分地在上表面和氧化物层之间并且(ii)至少部分地嵌入在薄膜涂层和氧化物层的至少一个中。
(B1)等离子纳米结构传感器像素包括(a)具有上表面的半导体基板，(b)上表面上的氧化物层，(c)上表面和氧化物层之间的薄膜涂层和(d)多个金属纳米颗粒，多个金属纳米颗粒(i)至少部分地在上表面和氧化物层之间并且(ii)至少部分地嵌入在薄膜涂层和氧化物层的至少一个中。
(B2)如(B1)表示的像素还可以包括在氧化物层的与薄膜涂层相对的侧面上的滤色镜和显微透镜的至少一个。
(B3)在如(B1)和(B2)的一个表示的像素中，多个金属纳米颗粒可以部分地嵌入在薄膜涂层和氧化物层中。
(B4)在如(B1)至(B3)的一个表示的像素中，其中薄膜涂层包括多个层，多个纳米颗粒可以被嵌入在多个层的一个中并可以突出穿过其相对的两侧。
(B5)在如(B4)表示的像素中，多个纳米颗粒可以部分地嵌入在多个层的每个和氧化物层中。
(B6)在如(B1)至(B5)的一个表示的像素中，半导体基板的上表面可以是平面的。
(B7)在如(B1)至(B6)的一个表示的像素中，至少一个纳米颗粒可以是圆盘形的。
(B8)在如(B1)至(B7)的一个表示的像素中，多个纳米颗粒的每个可以由选自由铝、金、银、铂和铜组成的组的一种或多种材料形成。
(B9)如(B1)至(B8)的一个表示的像素还可以包括至少部分地嵌入在基板中并从上表面在与上表面基本垂直的方向中延伸的多个金属柱。
在不脱离其范围的情况下，可以对上述系统和方法做出改变。因此，应该注意的是，在上述描述中包含的或在附图中示出的方式，应该被理解为说明性的且不具有限制意义。所附权利要求旨在覆盖在此描述的所有通用和特定特征，以及本方法和本系统的范围的在语言上的所有声明应被认为落入其间。
Claims (18)
1.一种等离子纳米结构传感器像素，包括：
半导体基板，具有上表面和所述上表面下方的光电二极管区域；以及
多个金属柱，每个金属柱(i)至少部分地嵌入在所述光电二极管区域中并且(ii)从所述上表面在与所述上表面基本垂直的方向中延伸。
2.根据权利要求1所述的像素，还包括在所述上表面上的光学单元，所述光学单元包括抗反射涂层、氧化物层、滤色镜和显微透镜的至少一个。
3.根据权利要求1所述的像素，其中，多个柱的一个的上表面与所述半导体基板的所述上表面共平面。
4.根据权利要求1所述像素，其中，多个柱的每个具有超过50纳米的最小宽度和小于1微米的最大宽度。
5.根据权利要求1所述的像素，其中，多个柱的每个具有接近所述上表面的顶端和与所述顶端相对并位于所述半导体基板内的底端，所述顶端和所述底端之间的距离在1微米和3微米之间。
6.根据权利要求1所述的像素，其中，多个柱形成周期阵列。
7.根据权利要求6所述的像素，其中，所述阵列具有0.030和0.31之间的区域填充因子。
8.根据权利要求1所述的像素，其中，多个柱的一个在与所述半导体基板的所述上表面平行的平面内具有非圆形的剖面形状。
9.根据权利要求1所述的像素，其中，多个柱的每个由选自由铝、金、银、铂和铜组成的组的一种或多种材料形成。
10.根据权利要求1所述的像素，还包括：
氧化物层，在所述上表面上；
薄膜涂层，在所述上表面和所述氧化物层之间；
多个金属纳米颗粒，(i)至少部分地在所述上表面和所述氧化物层之间并且(ii)至少部分地嵌入在所述薄膜涂层和所述氧化物层的至少一个中。
11.一种等离子纳米结构传感器像素，包括：
半导体基板，具有上表面和所述上表面下方的光电二极管区域；
氧化物层，在所述上表面上；
薄膜涂层，在所述上表面和所述氧化物层之间；
多个金属纳米颗粒，(i)至少部分地在所述上表面和所述氧化物层之间并且(ii)至少部分地嵌入在所述薄膜涂层和所述氧化物层的至少一个中；和
多个金属柱，每个金属柱(i)至少部分地嵌入在所述光电二极管区域中并且(ii)从所述上表面在与所述上表面基本垂直的方向中延伸。
12.根据权利要求11所述的像素，还包括在所述氧化物层的与所述薄膜涂层相对的侧面上的滤色镜和显微透镜的至少一个。
13.根据权利要求11所述的像素，其中，所述多个金属纳米颗粒部分地嵌入在所述薄膜涂层和所述氧化物层中。
14.根据权利要求11所述的像素，其中，所述薄膜涂层包括多个层，多个金属纳米颗粒嵌入在所述多个层的一个层中并突出穿过其相对的两侧。
15.根据权利要求14所述的像素，其中，多个纳米颗粒部分地嵌入在所述多个层的每个和所述氧化物层中。
16.根据权利要求11所述的像素，其中，所述半导体基板的所述上表面是平面的。
17.根据权利要求11所述的像素，其中，纳米颗粒的至少一个是圆盘形的。
18.根据权利要求11所述的像素，其中，多个纳米颗粒的每个由选自由铝、金、银、铂和铜组成的组的一种或多种材料形成。
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