CN107195650B - 多光谱摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多光谱摄像装置。一种多光谱摄像装置，所述多光谱摄像装置包括叠层型混合半导体器件以用于在三维空间上对不同波段的光线进行信道分离，所述叠层型混合半导体器件包括：第一光电二极管，用于光电地转换近红外光，由所述第一光电二极管组成红外图像探测阵列，所述第一光电二极管包括衬底及形成于所述衬底中的电子和/或空穴耗尽层；以及第二光电二极管，位于所述第一光电二极管上，用于光电地转换可见光，由所述第二光电二极管组成可见光图像探测阵列。本发明提供的多光谱摄像装置降低或避免了不同光电二极管之间的干扰，提高了整体的性能。

Description

多光谱摄像装置
技术领域
本发明涉及医疗辅助设备领域，尤其涉及一种多光谱摄像装置。
背景技术
人体内部的结构和组织是人眼无法直接看到的。仅仅依靠人体的外部轮廓和人体解剖知识是难以精确地找到和定位皮下的内部结构和组织的。
人体血管隐藏在表皮下面，往往被皮下脂肪，甚至骨骼所遮挡，在可见光的环境下图像信号及其微弱，甚至完全不为人眼可见。虽然在穿刺之前，医生往往会要求患者攥紧拳头或用拍打穿刺部位皮肤的方式让血管更加可见，但是根据患者的年龄，皮下脂肪的厚薄等因素，皮下血管的可视性依然不理想。根据隐约可见的血管图像和医学知识，对血管所做的穿刺往往错位，导致病患者的痛苦，延误治疗时机，甚至造成注射事故。除了直接对血管所做的抽血和注射以外，针灸和其他医疗手术等操作，都需要准确地知道血管的位置，以便在操作时能避开血管或者对血管做特别处理。
目前尝试解决此一难题的技术方法为使用近红外摄像技术。这种红外血管图像增强技术主要利用了血管中血红蛋白对波长从760nm到1000nm的近红外光的吸收率与周围其他人体组织不同的原理，首先将摄取血管的近红外图像，然后对图像的对比度做强化后，通过一台可见光投影仪将皮下血管投影显示在皮肤表面。这样医生或护士就能够识别患者皮下血管的位置并实时操作。
然而由于皮下血管被皮下脂肪和肌肉组织所包围，它们对于近红外光有明显的散射作用。人体的皮下组织的色素和脂肪，皮肤表面的褶皱，瘢痕和毛发都会对入射的红外线有吸收和散射作用。它们严重模糊了这种投影式血管显像仪获得的血管图像。这种技术上的先天缺陷在成像直径较小的微细血管时表现的尤其严重。这是因为血管越细小，单位长度的血管内的血液容量就越少，所含有的有氧血红蛋白和无氧血红蛋白的数量就越少，从而它们对近红外光线的吸收就越少。在同等的杂散光背景下，血管和周围组织的对比度就很微弱，通常在0.01～0.1。
根据人体皮下软组织的光学特性，不同波长的光线在人体皮肤下层的吸收深度不同，波长越长，能够穿透的深度就越大。从蓝紫色的420nm到人眼最为敏感的550nm的可见光仅仅能够穿透0.6mm的表皮层，而波长大于690nm左右的红光可以穿透表皮层和真皮层到达皮下组织上层和部分静脉的深度。波长大于760nm到1000nm的光线为人眼所不可见的近红外光线，其能够达到更加深层次的皮下组织和脂肪层。
所有光线都会在进入皮肤的初始阶段遭到散射和反射，其散射和反射的光线对于只需要知道皮肤下层的血管图像来说仅仅是干有害的干扰或噪声。如果从红外图像中减去可见光图像，就可以得到仅仅携带皮下深层部位信息的图像了。这就是红外图像的数字减影技术的基本原理。之所以需要在数字图像的环境下进行这种操作，是因为复杂的图像处理无法用模拟信号和模拟电路完成，必须是数字化后用计算机来完成的。
如何有效、准确地获得不同波段的图像是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供多光谱摄像装置以及多光谱摄像系统，降低或避免了不同光电二极管之间的干扰，提高了整体的性能。
根据本发明的一个方面，提供一种多光谱摄像装置，所述多光谱摄像装置包括叠层型混合半导体器件以用于在三维空间上对不同波段的光线进行信道分离，所述叠层型混合半导体器件包括：第一光电二极管，用于光电地转换近红外光，由所述第一光电二极管组成红外图像探测阵列，所述第一光电二极管包括衬底及形成于所述衬底中的电子和/或空穴耗尽层；以及第二光电二极管，位于所述第一光电二极管上，用于光电地转换可见光，由所述第二光电二极管组成可见光图像探测阵列。
可选地，所述电子或空穴耗尽层被所述第二光电二极管在所述衬底所在平面的垂直投影完全覆盖。
可选地，沿着光线入射方向，所述第二光电二极管为NIP型光电二极管，所述第一光电二极管为NP型光电二极管；所述第二光电二极管为PIN型光电二极管，所述第一光电二极管为PN型光电二极管；所述第二光电二极管为PIN型光电二极管，所述第一光电二极管为NP型光电二极管；或者所述第二光电二极管为NIP型光电二极管，所述第一光电二极管为PN型光电二极管。
可选地，所述第二光电二极管包括第一透明导电薄膜、N+型掺杂的非晶硅层、非掺杂非晶硅层、P+型掺杂的非晶硅层及第二透明导电薄膜。
可选地，还包括：隔离件，于所述衬底内位于所述耗尽层和周围半导体之间。
可选地，还包括：涂布成膜的有机膜层和场氧化的绝缘层，位于所述第一光电二极管与所述二光电二极管之间。
可选地，所述有机膜层的厚度为1微米至5微米。
可选地，所述有机膜层的相对介电常数为2.5至4。
可选地，所述耗尽层具有N型势阱结构，所述耗尽层经由在P型衬底与所述场氧化绝缘层之间以离子注入的方式做N-的掺杂和激活形成。耗尽层横跨整个N-层和延伸到靠近N-边界的P型衬底。此种耗尽层由双层的不同掺杂半导体所构成。
可选地，所述耗尽层具有P型势阱结构，所述耗尽层经由在N型衬底与所述场氧化绝缘层之间以离子注入的方式做P-的掺杂和激活形成。耗尽层横跨整个P-层和延伸到靠近P-边界的N型衬底。此种耗尽层由双层的不同掺杂半导体所构成。
可选地，所述衬底为N型衬底或P型衬底，所述耗尽层分别为空穴耗尽层或电子耗尽层。
可选地，所述耗尽层的厚度大于2微米小于100微米。
可选地，所述红外图像探测阵列由至少两种不同耗尽层厚度的第一种光电二极管的阵列所构成。
可选地，所述多光谱摄像装置包括两个像素阵列，所述像素阵列中每个子像素至少包括：一光电二极管用于将入射光线转换为电信号，一放大晶体管用于放大所述电信号，一输出晶体管用于输出放大后的电信号，以及一复位晶体管用于对所述光电二极管进行电位复位，所述光电二极管为所述第一光电二极管或所述第二光电二极管。
有鉴于此，本发明的多光谱摄像装置通过使在半导体衬底上制作的第一光电二极管的耗尽层位于第二光电二极管在半导体平面上的垂直投影之内，且当第二光电二极管工作时，该耗尽层处于完全或部分耗尽状态，以此减小耗尽层的等效电容，进而降低或避免了不同光电二极管之间的干扰，特别是寄生电容的干扰，提高了整体的性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明第一实施例的一种多光谱摄像装置的截面图；
图2为本发明第二实施例的多光谱摄像装置的叠层型混合半导体器件的截面图；
图3至图5为本发明不同实施例的多光谱摄像装置的叠层型混合半导体器件的电势分布图和电容等效电路的示意图；
图6至图9为本发明第三实施例的不同光电二极管的组合的示意图；
图10为本发明第四实施例的多光谱摄像装置的叠层型混合半导体器件的截面图；
图11为本发明第五实施例的多光谱摄像装置的叠层型混合半导体器件的截面图；
图12为本发明第六实施例的多光谱摄像装置的电路图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。
为了解决现有技术的缺陷，本发明提供一种多光谱摄像装置，所述多光谱摄像装置包括叠层型混合半导体器件以用于在空间上对不同波段的光线进行信道分离，所述叠层型混合半导体器件包括：第一光电二极管，用于光电地转换近红外光，所述第一光电二极管包括衬底及形成于所述衬底中的耗尽层；以及第二光电二极管，位于所述第一开关晶体管上，用于光电地转换可见光，其中，所述耗尽层在所述衬底所在平面的垂直投影所在的位置对应于所述第二光电二极管在所述衬底所在平面的垂直投影所在的位置，并且当所述第二光电二极管工作时，所述耗尽层处于耗尽状态。
下面结合各个附图说明本发明提供的各个实施例。
首先参见图1，图1示出本发明第一实施例的一种多光谱摄像装置的截面图。
多光谱摄像装置包括第一光电二极管所在的第一半导体层140、第二光电二极管所在第二半导体层及滤光层。
第一光电二极管对近红外光敏感。近红外光在第一半导体层140处进行了光电转换。可选地，此处所述的近红外光的波长为760nm-1000nm。
第二光电二极管(包括121、122及123)位于第一光电二极管上，对可见光敏感，并供近红外光穿过。具体而言，可见光在第二半导体层处进行了光电转换。可选地，此处所述的可见光的波长为400nm-760nm。在一个优选地实施例中，第二光电二极管可为氢化非晶硅的光电二极管。氢化非晶硅的光电二极管的可见光光谱范围的相应曲线和人眼的视觉相应曲线比较吻合，摄取的可见光影像用很少或者几乎不用再做颜色的校正。和氢化非晶硅内的含氢量和成膜工艺以及之后的工艺温度相关，氢化非晶硅的薄膜的禁带宽度从大致从1.6eV到2.0eV，在波长等于400nm到760nm的可见光范围内的吸收系数很大，一个大约2微米厚的氢化非晶硅薄膜能够吸收将近95％以上的入射可见光。换言之，采用氢化非晶硅的光电二极管作可以吸收大多数可见光进行光电转换，并可供大多数近红外光穿过以使近红外光可以到达第一半导体层140。
滤光层位于第二半导体层背向第一半导体层140的一侧。滤光层包括按阵列排列的多个滤光片(例如蓝色滤光片111及红色滤光片112)。每个滤光片形成一滤光区域，供对应一种颜色的波段的可见光以及近红外光穿过。在本实施例中，多个滤光片包括可见光光谱中较短波长的带通彩色滤光片(比如供波长范围为400nm到460nm的光线穿过的蓝色滤光片111)以及可见光光谱中较长波长的带通彩色滤光片(比如供波长范围为650nm到760nm的光线穿过的红色滤光片112)。滤光层还可以包括透明膜层113(例如透明有机膜)。透明膜层113也形成多个滤光区域并供可见光及近红外光穿过。蓝色滤光片111、红色滤光片112及透明膜层113周期性地在基板所在平面的两个方向(例如相互垂直的两个方向)重复，形成了滤光区域的阵列。各滤光区域对应第二光电二极管121、122及123。由此，当光入射到多光谱摄像装置时，蓝色波段的光及近红外光穿过蓝色滤光片111、红色波段的光及近红外光穿过红色滤光片112、可见光及近红外光穿过透明膜层并到达对应的第二光电二极管，第二光电二极管对应滤光区域光电地转换蓝光、红光及可见光为电子或空穴并暂时存储在对应的存储电容里面，直到对应像素内信号电荷的读出或像素电位的复位动作的发生。同时近红外光穿过第二半导体层到达第一半导体层140，近红外光在第一半导体层140被第一光电二极管转换成电子或空穴并暂时存储在对应的存储电容里面，直到对应像素内信号电荷的读出或像素电位的复位动作的发生。
可选地，在本实施例中，多光谱摄像装置还包括位于第一半导体层140和第二半导体层之间的绝缘层130。绝缘层130至少供近红外光穿过。
进一步地，为了清楚起见，图1仅说明多光谱摄像装置在空间上对不同波段的光线进行信道分离的简化结构，本领域人员可以依本发明所揭示的基本工作原理和结构以及实际应用和制程的需要增加某些层或部件，例如，第二半导体层的光电转换器件的电极以及其对应的像素开关；第一半导体层140中的光电二极管及其他相关的离子注入和扩散层的结构；像素内的晶体管数量和其他电极；以及信号输出的数据线及栅控线等。在不背离本发明基本构思的情况下，这些部件的增加都在本发明的保护范围内。
图2为本发明第二实施例的多光谱摄像装置的叠层型混合半导体器件的截面图。图2示出了第一光电二极管、位于第一光电二极管上的第二光电二极管以及位于第一光电二极管和第二光电二极管之间的场氧化绝缘层345。场氧化绝缘层345的等效电容可以COX表示。
第一光电二极管包括衬底341及形成于衬底中的耗尽层340。衬底341可以为N型衬底或P型衬底。耗尽层340可以为空穴耗尽层或电子耗尽层。耗尽层340的等效电容可以CDEP表示。
第二光电二极管包括依次位于所述场氧化绝缘层345上的第一透明导电薄膜331、第一掺杂层333、非掺杂非晶硅层334、第二掺杂层335及第二透明导电薄膜336。
第一透明导电薄膜331是第二光电二极管的下部透明导电膜电极，该透明电极的材料可以是ITO，SnO2等。第一掺杂层333和第二掺杂层335可以分别是第二光电二极管的下部和顶部的重掺杂层。若第一掺杂层333为N+型掺杂，则第二掺杂层335为P+型掺杂；若第一掺杂层333为P+型掺杂，则第二掺杂层335为N+型掺杂。对于N+型掺杂的第一掺杂层333或第二掺杂层335，其在一些具体实施例中，可采用等离子体增强化学的气相沉积法以甲硅烷(SiH4)为主的成膜气体中加入一定百分比的磷化氢(PH3)。对于P+型掺杂的第一掺杂层333或第二掺杂层335，其在一些具体实施例中，则类似地，在成膜气体中加入一定百分比的乙硼烷(B2H6)气体。非掺杂非晶硅层334，其在一些实施例中可以是氢化非晶硅。由于本征的氢化非晶硅略微呈现N型导电，可加入微量的乙硼烷(B2H6)降低第二光电二极管的暗电流。第二透明导电薄膜336为第二光电二极管的顶部透明电极，其材料可以是ITO，或者SnO2，或者其他可以高度透过可见光和红外光线的导电材料。第一透明导电薄膜331和第二透明导电薄膜336之间的等效电容可以由CDP表示。
在图2所示的实施例中，多光谱摄像装置还包括第二场效应晶体管。第二场效应晶体管位于第一光电二极管和第二光电二极管之间。第二场效应晶体管的源极374与第二光电二极管的第一透明导电薄膜331电连接。如图2所示，第二场效应晶体管的半导体层342位于第一光电二极管的衬底341内，第二场效应晶体管的源极374和漏极371位于场氧化绝缘层345和第二光电二极管之间并电连接至半导体层342。第二场效应晶体管的栅极373位于第二场效应晶体管的源极374和漏极371和半导体层342之间。第二场效应晶体管的源极374和漏极371由同一种金属制成，例如可以是铬Cr，钼Mo，铝Al，铜Cu或者是它们的合金。第二场效应晶体管的栅极373，其材料可以是多晶硅或者金属，比如上述的数种金属中的一种或者是其合金。第二场效应晶体管可以是第二光电二极管的开关晶体管。图2仅仅示出第二场效应晶体管的一种结构，本领域技术人员还可以实现更多的变化结构，这些变化结构都在本发明的保护范围之内，在此不予赘述。
进一步地，多光谱摄像装置还包括隔离件344，于衬底341的平面上位于半导体层342与耗尽层340之间。隔离件344可以是浅沟道隔离(STI，SHALLOW TRENCH ISOLATION),其用来隔离半导体层342和周围，降低衬底341中的暗电流和信号或噪声的串扰。
图2的混合叠层半导体器件，根据第二光电二极管体(例如非晶硅光电二极管)的结构自上而下是PIN还是NIP的光电二极管结构，以及第一光电二极管中衬底的场效应晶体管的沟道类型是N沟道还是P沟道，或者场氧化绝缘层下的耗尽层340的类型和结构可以有各种不同的组合。根据以上不同的组合，重要驱动参数之一的第二光电二极管的第一透明导电薄膜331的复位电位也会因此有不同的最佳范围。
如前所述，第一光电二极管的耗尽层可以有两种结构：简单的单层耗尽结构和双层耗尽结构。对于单层的耗尽层结构，导电薄膜331的复位电位需要保证场氧化层下方的半导体始终处于耗尽状态而且其厚度足够大，作为一种实施例大于2微米，一来可以获得比较高的红外光变换效率，二来可以降低电容CDEP。
在双层耗尽层的结构中，在连接到第一光电二极管的晶体管和外部电压的协同动作下，将势阱中的载流子全部抽出，从而迫使其达到完全耗尽的状态和形成能够存储光生电子或空穴的势阱。完全耗尽的势阱的深度由势阱区域的掺杂浓度和厚度所决定。然而导电薄膜331的电位会通过场氧化层降低或者抬高势阱底部的位置从而影响第一光电二极管所能存储的最大电荷包的数量。因此导电薄膜331的复位电位应该尽力使得场氧化膜两面的电位接近，从而对于第一光电二极管的工作状态的干扰降低到最小。作为一种实施例，复位电位和场氧化膜下的表面电位的电位差小于1V。
除了上述的条件以外，第二光电二极管的第一透明导电薄膜的复位电位，还必须满足以下三个工作条件：
该复位电位与第二光电二极管的第二透明导电薄膜的电位的电位差也就是第二光电二极管两端的电压所决定的可见光信号的动态范围足够宽，根据应用其电压在3V到10V之间；
该复位电位也是像素内起到放大作用或者电荷-电压变换作用的晶体管的栅极初始电压，也就是放大晶体管的偏置工作电压，必须保证在整个信号动态范围内该晶体管能够正常工作在线性区域；
该复位电位和复位开关晶体管的栅电压和漏极电压的配合结果，必须保证在存储的信号电荷在存储期间的泄露可以忽略，在复位阶段能够被复位开关所清除干净；
当红外光线入射到耗尽层340所在的区域，产生的信号电荷(电子或者空穴)积累在耗尽层340的势阱中，使得该势阱被部分填满或者部分耗尽，当信号电荷将势垒填满，耗尽层不复存在。换言之，在第二光电二极管工作时(包括光电变换，存储，被读出或者复位的诸阶段)，耗尽层340都呈现出电子耗尽或者空穴完全或者部分耗尽的状态，而且耗尽层有超过2微米的较大的厚度，使得耗尽层340的等效电容CDEP处于较小的状态。
如上所述耗尽层340越厚，吸收的红外线就越多，吸收的长波长的红外线的成分就越多。作为一个实施例，在由第一种光电二极管组成的红外图像探测阵列中，放置两组或三组不同耗尽层厚度的光电二极管，就可以将不同波长的红外辐射分开摄取，从而可以得出不同“颜色”的红外图像。另外一个用途是针对比较强烈的红外辐射，可以增加探测的动态范围，换句话说当耗尽层比较厚的光电二极管已经饱和的时候，耗尽层比较薄的光电二极管依然工作在线性相应区域。
进一步地，本发明通过降低等效电容CDEP来降低第一光电二极管及第二光电二极管的总电容，进而获得如下优势：
1)当第二光电二极管的光电信号通过第二场效应晶体管被读出的时候，第一光电二极管及第二光电二极管的总电容的总电容Ctotal为：
信号读出的时间常数则为t＝Ｃtotal·Ron，本发明可以通过减小CDEP减小总电容Ctotal，以在有限的时间内读出尽可能多的信号电荷(Ron)，
2)另一方面，伴随着信号读出的开关噪声SwitchNoise则等于(这里k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度)：
由此可见，通过减小CDEP减小总电容Ctotal还可以降低开关噪声SwitchNoise。
3)当每个像素都完全包覆一个有源信号放大电路，或者将光生电荷转换成信号电压，然后把信号电压施加在一个输出晶体管的栅极并按照扫描顺序输出信号电压的电路的场合，也就是说在使用Amplified Pixel(放大像素)或者APS(有源像素传感器，ActivePixel Sensor)的场合，信号电压和像素中第一光电二极管及第二光电二极管的总电容的总电容的电容成反比，因此，降低CDEP可以直接产生更高的信号电压。
此外，针对单层耗尽层的结构和MOS器件物理，在一定的热平衡下，CDEP的最小值等于(这里q是电子电荷量，ε0和εs分别是真空的介电常数和硅半导体的相对介电常数，NA是硅基板的掺杂浓度，VB是平带电压)：
根据公式，降低基板的掺杂浓度则是最为直接的办法。在非热平衡的动态驱动模式下，通过第二场效应晶体管可以施加瞬间的更高的复位脉冲电压到第一透明导电薄膜331之上，这样可以让衬底341达到深度的耗尽，让CDEP变得更低。然而第一透明导电薄膜331的电位和第二透明导电薄膜36的电位VPD的差异必须能让第二光电二极管不仅始终处于反向偏压的状态，而且在入射光强达设定最高水平时，对于2微米厚的第二光电二极管两端的电压至少还存有0.5V的电压差，以便让光生载流子能被足够高的电场驱动并高效率地被收集在第一透明导电薄膜331上。
下面结合图3至图5描述本发明不同实施例的多光谱摄像装置的叠层型混合半导体器件的电势分布图和电容等效电路的示意图。
图3描绘了在PIN光电二极管结构的第二光电二极管叠加在具有P型衬底的第一光电二极管的摄像器件的纵向电势分布图和电容等效电路。当中间金属电极(第一透明导电薄膜)的电位足够高时，不仅可以保证第二光电二极管(例如非晶硅光电二极管)始终处于反向偏置电压之下，而且在P型衬底上产生一定厚度的空穴耗尽层。然而当入射光较强使得中间金属电极的电位被大幅拉向VPD时，就会让空穴耗尽层减薄，甚至进入电荷积累的状态，也就是CDEP接近无限大。换言之，图3所示的结构，第二光电二极管的动态范围受到P型衬底的表面电势分布反转的限制。
如果把P型衬底换成N型衬底时，如图4所示，中间金属电极(第一透明导电薄膜)的电位一旦设定在VPD和GND之间的任意一个电位时，入射可见光越强，其电位就越低，N型衬底内的电子耗尽层只能更厚，不可能减少，从而保证了第二光电二极管和N型衬底内的电容耦合始终处于一个较小的状态。如果第二光电二极管的正下方的N型衬底内有场效应晶体管或者结晶硅的光电二极管，图4的结构也不会导致这些场效应晶体管和结晶硅的光电二极管的工作状态发生根本性的反转变化。
图5所示的是另外一种电势分布，通过在第一光电二极管的P型衬底上做轻n型掺杂，就可以产生完全耗尽的n型掺杂区域，或者称为完全电子耗尽的N型势阱(N-Well)。这种结构不仅能够产生比较厚的电子耗尽层有利于减少电容，还能够有足够长的距离吸收红外光线提高对红外图像的探测灵敏度。
结合图3至图5的分析，下面通过图6至图9描述本发明第三实施例的不同光电二极管的组合的示意图。
在要求比较小的第一光电二极管240和第二光电二极管220之间的寄生电容和较大的动态范围的场合，应该优选地使用其中的两种组合：NIP型非晶硅光电二极管(第二光电二极管220)位于在具有N型势阱或者有N-MOS的P型衬底上的第一光电二极管240，或者PIN型非晶硅光电二极管(第二光电二极管220)叠加在具有P型势阱或者有P-MOS的N型衬底上的第一光电二极管240。换言之，本发明优选地，采用第一光电二极管240和第二光电二极管220正向串联的方式，如图6和7所示。
在图6中，第一光电二极管240为PN型光电二极管，所述第二光电二极管220为PIN型光电二极管。除了第一光电二极管240和第二光电二极管220之间的较小的寄生电容和较大的动态范围，这样的组合还具有高蓝光响应(high blue response)、较低的边墙漏电流(low side wall leakage)，但是略高的边缘拖尾(high peripheral lag)等特点。
在图7中，所述第一光电二极管240为NP型光电二极管，所述第二光电二极管220为NIP型光电二极管。除了第一光电二极管240和第二光电二极管220之间的较小的寄生电容和较大的动态范围，这样的组合还具有高迁移率(High channel mobility)的特点。
在另一些实施例中，第一光电二极管240与第二光电二极管220反向串联，如图8和9所示。在图8中，第一光电二极管240为PN型光电二极管，所述第二光电二极管220为NIP型光电二极管。考虑到需要特别遏制第二光电二极管220的边墙漏电流或者提高蓝光响应的时候，或者考虑到需要较高的结晶硅场效应晶体管的迁移率，从而在放大像素或者有源像素传感器像素内就可以获得比较高的电流增益的时候，可采用图8所示的实施例。
在其他的一些情况下，也可以采用图9所示的实施例，所述第一光电二极管240为NP型光电二极管，所所述第二光电二极管220为PIN型光电二极管。
图10为本发明第四实施例的多光谱摄像装置的叠层型混合半导体器件的截面图。
图10示出了第一光电二极管、位于第一光电二极管上的第二光电二极管以及位于第一光电二极管和第二光电二极管之间的场氧化绝缘层745。场氧化绝缘层745的等效电容可以COX表示。
第一光电二极管(例如为结晶硅光电二极管)包括P型衬底741、形成于衬底741中的N-型掺杂层层740、N+掺杂层742，P+掺杂层746，和形成于衬底上的连接掺杂层742的电极764、连接掺杂层746的电极761，电极761兼做硅衬底的电路连接通常接地。N-型掺杂层740完全后的等效电容可以CDEP表示。第二光电二极管包括依次位于所述场氧化绝缘层745和有机绝缘膜739上的第一透明导电薄膜731、第一掺杂层733、非掺杂非晶硅层734、第二掺杂层735及第二透明导电薄膜736。第二光电二极管的等效电容可以CPD表示。
为了减少第一光电二极管的来自和场氧化绝缘层745界面缺陷态的暗电荷，采用P+型掺杂的半导体薄层746将第一光电二极管和场氧化绝缘层745界面的缺陷态预先填满或者钉死(pinnedsurfacestates)。这样，第一光电二极管和第二光电二极管之间将存在较大的寄生电容。由于第二半导体层746(例如P+型的薄层)会施加一固定电压，所以相当于CDEP无限大，而Ctotal＝CPD+COX。为了缓解这个矛盾，本实施例在场氧化绝缘层745和第二光电二极管之间设置有机膜层739。有机膜层739例如可以具有1微米至5微米的厚度。有机膜层739的相对介电常数例如可以在2.5到4之间。有机膜层739可采用涂布和烘烤的方式成膜，因而除了减小第一光电二极管和第二光电二极管之间的寄生电容，还可以兼有将表面的凹凸平坦化的效能。
图11为本发明第五实施例的多光谱摄像装置的叠层型混合半导体器件的截面图。与图10所示的结构类似，与图10不同的是，在图11中，N+掺杂的半导体层842替代了图10中的746，也起到了将场氧化绝缘层845的界面缺陷态钉死的作用。
图10和图11所示的结构中的硅基板中的掺杂结构也都可以分别将N型和P型对调而构成几何结构类似但是导电类型相反的多光谱摄像器件。
如图10和图11所示，第二光电二极管的非晶硅岛完全覆盖住下部的第一光电二极管的结晶硅的光电变换区域-耗尽层，以免可见光穿过非晶硅岛的间隙进入下部的红外变换区域。
下面参见图12，图12为本发明第六实施例的多光谱摄像装置的电路图。作为本发明的另外一种实施例，多光谱摄像装置包括像素阵列，像素阵列中每个子像素包括三个晶体管和一个光电二极管。该光电二极管可以是第一光电二极管或第二光电二极管以将入射光线转换为电信号。三个晶体管可以包括一放大晶体管、一输出晶体管及一复位晶体管。放大晶体管用于放大电信号。输出晶体管用于输出放大后的电信号。复位晶体管用于对光电二极管进行电位复位。该三个晶体管可以都是结晶硅的场效应晶体管，或者至少其中一个晶体管是由多晶硅的薄膜晶体管或者是非晶硅的薄膜晶体管所构成。
图12所示的等效电路图的左右两个像素实际上在器件的断面图上左边的非晶硅像素(具有第二光电二极管的像素)是叠加在右边的结晶硅像素(具有第一光电二极管的像素)之上的。本实施例相当于提供图7所示的所述第一光电二极管240为NP型光电二极管，所述第二光电二极管220为NIP型光电二极管。如图12所示，M1是第二光电二极管的复位晶体管，M3是第二光电二极管的输出晶体管，M2是第二光电二极管的放大晶体管。类似地，M4是第一光电二极管的复位晶体管，M6是第一光电二极管的输出晶体管，M5是第一光电二极管的放大晶体管。M1和M4被同一条扫描线Scan2所控制，M3和M6被相邻的一条扫描线Scan1所控制。扫描方向为从下到上，先输出信号电压，然后将同一行的像素复位。在对一行像素复位的同时，打开下一行的像素并输出信号电压。在器件的截面结构图上第二光电二极管是叠加在第一光电二极管之上的，所以它们之间有一个和覆盖面积成正比的寄生电容Cin。根据图10或图11的实施例，这个层间绝缘膜引起的寄生电容的大小等于场氧化绝缘层的电容和有机膜层电容的串联总电容，当有机绝缘膜足够厚，比如大于2微米的情况下，寄生电容Cin对第二光电二极管和第一光电二极管的工作性能的影响可以忽略不计。
此外，上述图1至图12示出的各种实施例仅仅是示意性的，并非意图限制本发明的保护范围。例如子像素的排列、组合，及子像素与数据线和栅极线的连接关系并未以此为限。对于各视图所揭示的具体的半导体器件上的实现途径至少涵盖了四个方面的技术内容：电路和半导体器件构造的设计；制造工艺流程和一定范围的工艺参数；半导体，金属和绝缘膜的材料；实际使用时的驱动方法。这四个方面所揭示的内容和其各种形态的组合与变形，应用到其他实施例中揭示的像素排列方案和基于这些实施例中的像素排列的基本概念所做的其他类似的像素排列方案，也应该被理解为秉承了本发明所揭示的基本概念和在本发明的适用范围之内。具体的例子，但不限于这些具体的例子，包括多晶硅薄膜，微晶硅薄膜，非晶硒光电薄膜，Ⅱ-IV族的半导体薄膜，Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜，氧化物半导体薄膜，都可以适用于替代本文的a-SiH薄膜作为响应可见光的子像素的光电变换层。对于各个子像素内连接光电二极管PD和输出信号线的开关MOS FET，也可以使用低温或者高温多晶硅TFT(THIN FILM TRANSISTOR，薄膜晶体管)，氧化物半导体IGZOTFT，CdTe薄膜TFT等。
有鉴于此，本发明的多光谱摄像装置通过结构和掺杂以及电位的设定，使得第一光电二极管的光电变换区域在工作期间处于完全或部分耗尽状态，以此减小第一光电二极管和第二光电二极管之间的寄生电容，进而降低或避免了不同光电二极管之间的串扰，并提高了信号电荷转化为信号电压的效率。
综上，第二光电二极管和第一光电二极管在入射光的贯穿方向上相互重叠，但是从光学吸收和光电转换效能上最大限度地各司其责，从信号电荷的存储和传送通道上，根据本发明的结构设计，不论是简单的读出光生电荷的像素结构，还是每个像素都具有信号放大或者做电荷-电压转换功能的放大型或者APS型的像素结构，其相互之间的不良影响也可以被充分抑制住。本发明提供了有效的同时摄取可见光的彩色图像和红外光的灰度(强度)图像，或者同时摄取可见光的复数个波段的图像(比如R、G、B)和红外光的复数个波段的图像的途径和器件结构。高效，便携，精确地获得多光谱的图像，特别是人体的皮下组织的红外图像信息，从而显著提高医学影像诊断和治疗的水平。
以上对本发明的基本概念和具体的若干实施例进行了描述。这里需要声明的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。本发明也不局限于本发明中为了便于阐明基本概念所描述的医学影像应用，当然也包括其他领域的应用比如工业产品和环境检测，个人身份判定，虚拟空间和增强现实的游戏以及商业行为等。

Claims (11)

1.一种多光谱摄像装置，其特征在于，所述多光谱摄像装置包括叠层型混合半导体器件以用于在三维空间上对不同波段的光线进行信道分离，所述叠层型混合半导体器件包括：
第一光电二极管，用于光电地转换近红外光，由所述第一光电二极管组成红外图像探测阵列，所述第一光电二极管包括衬底及形成于所述衬底中的电子和/或空穴耗尽层；所述红外图像探测阵列由至少两种不同耗尽层厚度的第一种光电二极管的阵列所构成；所述耗尽层的厚度大于2微米小于100微米；
第二光电二极管，位于所述第一光电二极管上，用于光电地转换可见光，由所述第二光电二极管组成可见光图像探测阵列；所述电子或空穴耗尽层被所述第二光电二极管在所述衬底所在平面的垂直投影完全覆盖；
第二场效应晶体管，位于所述第一光电二极管和所述第二光电二极管之间；所述第二场效应晶体管是所述第二光电二极管的开关晶体管；所述第二场效应晶体管的半导体层位于所述第一光电二极管的所述衬底内；
隔离件，于所述衬底的平面上位于所述第二场效应晶体管的半导体层与所述耗尽层之间；
涂布成膜的有机膜层，位于所述第一光电二极管与所述二光电二极管之间，所述有机膜层平坦化所述第一光电二极管。
2.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，沿着光线入射方向，
所述第二光电二极管为NIP型光电二极管，所述第一光电二极管为NP型光电二极管；或者
所述第二光电二极管为PIN型光电二极管，所述第一光电二极管为PN型光电二极管。
3.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，沿着光线入射方向，
所述第二光电二极管为PIN型光电二极管，所述第一光电二极管为NP型光电二极管；或者
所述第二光电二极管为NIP型光电二极管，所述第一光电二极管为PN型光电二极管。
4.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第二光电二极管包括第一透明导电薄膜、N+型掺杂的非晶硅层、非掺杂非晶硅层、P+型掺杂的非晶硅层及第二透明导电薄膜。
5.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，还包括：
场氧化绝缘层，位于所述第一光电二极管与所述二光电二极管之间。
6.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述有机膜层的厚度为1微米至5微米。
7.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述有机膜层的相对介电常数为2.5至4。
8.如权利要求5所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述耗尽层具有N型势阱结构，所述耗尽层经由在P型衬底与所述场氧化绝缘层之间以离子注入的方式做N-的掺杂和激活形成。
9.如权利要求5所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述耗尽层具有P型势阱结构，所述耗尽层经由在N型衬底与所述场氧化绝缘层之间以离子注入的方式做P-的掺杂和激活形成。
10.如权利要求1至7任一项所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述衬底为N型衬底或P型衬底，所述耗尽层分别为空穴耗尽层或电子耗尽层。
11.如权利要求1至7任一项所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述多光谱摄像装置包括两个像素阵列，所述像素阵列中每个子像素至少包括：
一光电二极管用于将入射光线转换为电信号，一放大晶体管用于放大所述电信号，一输出晶体管用于输出放大后的电信号，以及一复位晶体管用于对所述光电二极管进行电位复位，
所述光电二极管为所述第一光电二极管或所述第二光电二极管。
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