CN107251224B - 固态成像元件和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种固态成像元件和电子设备，其能够抑制具有垂直光谱结构的固态成像元件的每个像素中的颜色混合和灵敏度降低。根据本公开的第一方面的固态成像元件是包括垂直光谱结构像素的固态成像元件，所述垂直光谱结构像素包含层叠的多个光电转换单元。所述垂直光谱结构像素包括：第一光电转换单元，其被配置成根据入射光中具有第一波长的光生成电荷；第二光电转换单元，其被配置成根据已经透射通过所述第一光电转换单元的所述入射光中具有第二波长的光生成电荷；以及第一光谱单元，其在所述第一光电转换单元的上表面上形成并且被配置成使具有所述入射光的所述第一波长的光的行进方向横向弯曲。例如，本公开可应用于包括图像传感器的电子设备。

Description

固态成像元件和电子设备
技术领域
本公开涉及固态成像元件和电子设备，并且特别涉及适于在每个像素具有垂直光谱结构的情况下使用的固态成像元件和电子设备。
背景技术
常规地，固态成像元件中的每个像素包括用不同颜色(诸如R、G和B)着色的滤色器、以及由光电二极管(PD)构成的光电转换单元等，根据通过滤色器输入的入射光而通过光电转换生成电荷。在这种情况下，每个像素输出对应于滤色器颜色的单色像素信号。
此外，最近提出了一种包括垂直光谱配置的固态成像元件(例如，参照专利文献1)，所述垂直光谱配置在固态成像元件的每个像素区中包含有机光电转换膜或垂直层叠的多个PD，以便使得每个像素能够同时输出多种颜色的像素信号。
图1是示出具有垂直光谱配置的示例性固态成像元件的截面图。固态成像元件包括：对入射光的绿色(G)分量具有选择性灵敏度的有机光电转换膜1、对蓝色(B)分量具有选择性灵敏度的第一PD(B-PD)2、以及对红色(R)分量具有选择性灵敏度的第二PD(R-PD)3，其从光入射侧起按顺序层叠。
理想地，在固态成像元件上，入射光中的G分量、B分量和R分量中的每一个优选分别由有机光电转换膜1、第一PD 2和第二PD 3中的每一个吸收并且转换成电荷。
引用列表
专利文件
专利文件1：日本专利申请特许公开号2013-93553
发明内容
本发明解决的问题
然而，实际上由于R分量在透射通过第一PD 2之后入射在第二PD 3上，并且未被第一PD 2吸收(转换)的B分量入射在第二PD 3上，因此由于图1所示的结构难以避免颜色混合。附加地，这种颜色混合可能同时引起不足的灵敏度。将参考图2描述这个问题。
图2示出了图1所示的固态成像元件的光谱灵敏度特性。具体地，在该图中，曲线G示出了有机光电转换膜1的光谱灵敏度，曲线B示出了第一PD 2的光谱灵敏度，并且曲线R示出了第二PD 3的光谱灵敏度。
如曲线B所指示的，观察到除了应该被自然吸收的B分量之外，第一PD2也吸收R分量(在550nm至700nm附近)。类似地，如曲线R所指示的，观察到除了应该被自然吸收的R分量之外，第二PD 3也吸收B分量(在400nm至550nm附近)。
以这种方式，固态成像元件的光谱特性与理想状态的偏差可能在颜色校正计算时增加矩阵系数，并且可能通过颜色校正计算导致图像质量劣化(SN比劣化)。
本公开是鉴于这种情况进行的，并且旨在抑制具有垂直光谱结构的固态成像元件的每个像素中的颜色混合和灵敏度降低。
问题的解决方案
根据本公开的第一方面的固态成像元件是包括垂直光谱结构像素的固态成像元件，所述垂直光谱结构像素包含层叠的多个光电转换单元，其中垂直光谱结构像素包括：第一光电转换单元，其被配置成根据入射光中具有第一波长的光生成电荷；第二光电转换单元，其被配置成根据已经透射通过第一光电转换单元的入射光中具有第二波长的光生成电荷；以及第一光谱单元，其在第一光电转换单元的上表面上形成并且被配置成使具有入射光的第一波长的光的行进方向横向弯曲。
第一光谱单元可以使沿第一光电转换单元延伸方向的入射光的第一波长光的行进方向弯曲。
第一光谱单元可以允许除了具有第一波长的入射光之外的入射光直线行进，而不改变光的行进方向。
第一光谱单元可以是衍射光栅。
第一光谱单元可以是金属纳米颗粒和金属纳米线中的一种。
与第二光电转换单元的操作厚度相比，可以形成更薄的第一光电转换单元的层厚度。
垂直光谱结构像素还可以包括第三光电转换单元，其被配置成根据入射光中具有第三波长的光生成电荷，第一光电转换单元可以根据具有第一波长的光生成电荷，所述光已经透射通过第三光电转换单元并且其行进方向被第一光谱单元弯曲，并且第二光电转换单元可以根据已经透射通过第三光电转换单元、第一光谱单元和第一光电转换单元的入射光中具有第二波长的光生成电荷。
第一和第二光电转换单元可以是PD，并且第三光电转换单元可以是有机光电转换膜。
根据本公开的第一方面的固态成像元件还可以包括非垂直光谱结构像素，其包括被配置成根据入射光中具有第三波长的光生成电荷的第三光电转换单元。
第一至第三光电转换单元可以是PD。
非垂直光谱结构像素还可以在第三光电转换单元的上表面上包括滤色器，其被配置成仅透射第三波长的光；并且垂直光谱结构像素还可以在第一光谱单元的上表面上包括滤色器，其被配置成仅透射具有第一波长和第二波长的光。
垂直光谱结构像素还可以包括第三光电转换单元，其被配置成根据入射光中具有第三波长的光生成电荷；并且还可以包括第二光谱单元，其在第三光电转换单元的上表面上形成并且被配置成使具有入射光的第三波长的光的行进方向横向弯曲；并且第三光电转换单元可以根据已经透射通过第一光谱单元和第一光电转换单元的入射光中具有第三波长的光生成电荷；并且第二光电转换单元可以根据已经透射通过第一光谱单元、第一光电转换单元、第二光谱单元和第三光电转换单元的入射光中具有第二波长的光生成电荷。
第二光谱单元可以是衍射光栅、金属纳米颗粒和金属纳米线中的一种。
第一至第三光电转换单元可以是PD。
垂直光谱结构像素还可以包括聚光单元，其被配置成将入射光聚集到垂直光谱结构像素中心附近的位置。
具有第一波长的光可以是B分量的光，具有第二波长的光可以是R分量的光，并且具有第三波长的光可以是G分量的光。
根据本公开的第二方面的电子设备是包括固态成像元件的电子设备，所述固态成像元件包括垂直光谱结构像素，所述垂直光谱结构像素包含层叠的多个光电转换单元，其中垂直光谱结构像素包括：第一光电转换单元，其被配置成根据入射光中具有第一波长的光生成电荷；第二光电转换单元，其被配置成根据已经透射通过第一光电转换单元的入射光中具有第二波长的光生成电荷；以及第一光谱单元，其在第一光电转换单元的上表面上形成并且被配置成使具有入射光的第一波长的光的行进方向横向弯曲。
根据本公开的第一方面和第二方面，垂直光谱结构像素被配置，使得具有入射光的第一波长的光的行进方向横向弯曲，并且根据具有第一波长的光生成电荷。
本发明的有益效果如下：
根据本公开的第一方面和第二方面，可以抑制每个像素中的颜色混合和灵敏度降低。
附图说明
图1是示出具有常规垂直光谱结构的固态成像元件的示例性配置的截面图。
图2是示出图1所示的固态成像元件的光谱灵敏度特性的图。
图3是根据本公开的具有垂直光谱结构的固态成像元件的示意性横截面图。
图4是示出在图3所示的固态成像元件上可以期望的光谱灵敏度特性的图。
图5是用于示出衍射光栅的衍射条件的图。
图6是示出用于波模拟的固态成像元件的配置的图。
图7是示出在入射光波长为460nm的情况下的波模拟结果的图。
图8是示出在入射光波长被设置为640nm的情况下的波模拟结果的图。
图9是示出灵敏度增加速率的循环依赖性的图。
图10是示出在入射光波长为640nm并且衍射光栅循环改变的情况下的波模拟结果的图。
图11是示出相同像素中的颜色混合率的图。
图12是示出相对于第一PD的厚度改变的灵敏度改变的图。
图13是示出相对于第一PD的厚度改变的颜色混合率(index of color mixing)改变的图。
图14是示出根据本公开的实施方案的固态成像元件的第一配置实例的截面图。
图15是示出根据本公开的实施方案的固态成像元件的第二配置实例的截面图。
图16是示出根据本公开的实施方案的固态成像元件的第三配置实例的截面图。
图17是示出图16所示的固态成像元件的第三配置实例的制造过程的图。
图18是用于说明表面等离子体共振原理的图。
图19是示出根据本公开的实施方案的固态成像元件的第四配置实例的截面图。
图20是示出根据本公开的实施方案的固态成像元件的第五配置实例的截面图。
图21是示出固态成像元件的应用实例的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述用于实现本公开的最佳模式(以下称为实施方案)。
<本实施方案的概要>
图3是根据本公开的具有垂直光谱结构的固态成像元件的示意性横截面图。
该固态成像元件包括从光入射侧起按顺序垂直层叠的衍射光栅11、第一PD 12和第二PD 13。注意，虽然未示出，但是在衍射光栅11的上表面侧上形成用于将入射光聚集到像素中心附近的位置的片上透镜，并且在衍射光栅11与片上透镜之间形成有机光电转换膜，所述有机光电转换膜被配置成吸收入射光的绿色(G)分量并且将其转换为电荷。
衍射光栅11水平(横向)地衍射光，所述光的预定波长对应于入射光中构成衍射光栅11的散射器的布置循环w。具有另一波长的光被透射而不被衍射。衍射光栅11的循环w被设置，以便衍射具有要被第一PD 12吸收的波长的光，并且以便透射具有要被第二PD 13吸收的波长的光。
第一PD 12吸收短波长光(诸如蓝色(B)分量)并且将光转换成电荷。第二PD 13吸收长波长的光(诸如红色(R)分量)并且将光转换成电荷。注意，与常规情况相比，第一PD 12的层厚度被设计为更薄的。
在固态成像元件上，当光入射时，光的B分量被衍射光栅11横向衍射、被第一PD 12吸收、并且被转换成电荷。此时，B分量沿第一PD 12延伸的方向行进，并且因此不会泄漏到第二PD 13。此外，由于与层厚度相比，第一PD 12中的B分量的光路长度是更长的，因此可以允许B分量被第一PD 12有效地吸收。尽管未示出，但是可以通过在像素之间的边界处设置反射板或光吸收膜来阻止泄漏光，以便避免与相邻像素的颜色混合。
同时，入射光中未被衍射光栅11衍射的R分量透射通过第一PD 12、被第二PD 13吸收、并且然后被转换成电荷。注意，由于与传统情况相比，在R分量透射通过第一PD 12(即，第一PD 12的层厚度)时的光路长度是更短的，因此可以减少第一PD 12对R分量的吸收量。
图4示出对于图3所示的固态成像元件可以期望的光谱灵敏度特性的图。具体地，在该图中，曲线G、曲线B和曲线R中的每一个分别示出了对于有机光电转换膜(未示出)、对于第一PD 12、以及对于第二PD 13期望的光谱特性。
如图4所示，期望在图3所示的固态成像元件上，第一PD 12对B分量的灵敏度增加，并且第一PD 12对R分量(在550nm至700nm附近)的吸收减少，如曲线B所指示的。类似地，如曲线R所指示的，期望第二PD 13对R分量的灵敏度增加，并且第二PD 13对B分量(在400nm至550nm附近)的吸收减少。
<衍射光栅的作用>
接下来，将描述衍射光栅的作用。
图5示出了示例性衍射光栅。在此，构成衍射光栅的多个散射器以循环w布置，并且入射光以角度α入射。在这种情况下，多个散射光线生成干涉，其中如图所示，两个相邻光线之间的光路差在入射侧上为w·sinα，并且光路差在出射侧上为w·sinβ。因此，鉴于出射侧上的负β侧，通过干扰使彼此增强的条件由以下公式(1)表示。
w·(sinα±sinβ)＝m·λ···(1)
这里，m是作为0或以上的整数所表示的衍射级，并且λ是介质中的波长。在真空中的波长为λ0的情况下，则介质中的波长λ为λ0/n。其中，n是介质的折射率。
注意，在固态成像元件的情况下，光基本上垂直入射，从而导致角度α≈0°。为了衍射入射光以便允许其横向移动，角度β将为约90°。在衍射级m处于第0级的情况下，完全透射光沿直线垂直行进。相比之下，当级别为第一级或以上时，发生衍射。此时，具有最高衍射效率的级别为第一级(m＝1)。因此，通过将这些值应用于公式(1)，公式(1)可以变换成公式(2)。
w≈λ0/n···(2)
在假定用作介质的半导体为Si的情况下，在Si上的处于400nm至500nm波长范围内的光的折射率n处于4至5的范围内。因此，为了满足公式(2)，循环w＝100nm至200nm。
接下来，将使用有限差分时域方法(FDTD)的波模拟来描述衍射光栅的效果。
图6示出了用于波模拟的固态成像元件的配置实例。图中的A示出了常规配置实例，其包括在Si衬底内层叠的第一PD 12和第二PD 13，而没有衍射光栅11。图6中的B示出了根据本公开的配置实例，其包括在Si衬底内层叠的第一PD 12和第二PD 13，并且在第二PD13上包括衍射光栅11。在此注意，第一PD 12吸收短波长光(诸如B分量)，而第二PD 13吸收长波长光(诸如R分量)。
在波模拟中，入射光的波长为460nm(B分量)和640nm(R分量)，而衍射光栅11的循环w为0.1μm至0.18μm(100nm至180nm)，沟槽深度d为0.1μm。
图7示出了在入射光的波长为460nm的情况下的模拟结果。图中的A示出了没有设置衍射光栅11的情况，而图中的B示出了设置衍射光栅11的情况。注意，第一PD 12的层厚度为0.6μm，并且衍射光栅11的循环w为0.13μm。
类似地，图8示出了在入射光的波长为640nm的情况下的模拟结果。图中的A示出了没有设置衍射光栅11的情况，而图中的B示出了设置衍射光栅11的情况。注意，第一PD 12的层厚度为0.6μm，并且衍射光栅11的循环w为0.13μm。
根据图7的A和图8的A所示的结果，观察到在没有设置衍射光栅11的情况下，B分量和R分量都在Si衬底中沿直线垂直行进。相比之下，根据图7的B和图8的B所示的结果，观察到在设置衍射光栅11的情况下，B分量在第一PD 12中衍射并横向移动，并且R分量沿直线垂直行进。这是因为满足B分量的衍射条件并且不满足R分量的衍射条件。注意，在B分量的情况下吸收系数较大，并且因此即使B组分横向移动，颜色混合对相邻像素的影响也将是较小的。尽管未示出，但是可以通过在单独像素之间的边界处设置反射板或光吸收膜来阻止泄漏光，以便避免与相邻像素的颜色混合。
接下来，图9示出了在衍射光栅11的循环w改变的情况下，在第一PD 12(曲线B)和第二PD 13(曲线R)上的光吸收中的灵敏度增长率。在此注意，没有设置衍射光栅11的情况下的灵敏度增长率为1。在此注意，在该图的情况下，衍射光栅11沿xy方向设置。
如图所示，在设置衍射光栅11的情况下，被配置成吸收B分量的第一PD 12中的灵敏度显着增加，并且第一PD 12的灵敏度变得最大，其中灵敏度增加约17％，特别是在循环w＝0.13μm的情况下。这被认为是由于增加的光路长度导致的，因为B分量通过衍射光栅11进行的衍射而横向行进，所以所述光路长度增加。相比之下，R分量垂直行进而不衍射，并且因此，即使在循环w＝0.13μm的情况下，灵敏度也没有明显的改变。
同时，已知在衍射光栅11的循环w增加的情况下，即使在R分量中也发生衍射。然而，由于构成PD的Si材料的R分量吸收系数是较小的，因此横向行进将生成与相邻像素的颜色混合，并且将不利地影响图像质量。因此，需要为衍射光栅11的循环w设置适当的范围。
接下来，将描述衍射光栅11的循环w的最佳范围。图10示出了当入射光的波长为640nm、并且衍射光栅11的循环w从0.1μm变化到0.18μm时的波模拟结果。在图10的A到图10的H的每一个中，循环w增加0.01μm。
如根据该图观察的，R分量在从0.1μm到0.16μm的循环w范围内基本上没有衍射，而当循环w为0.18μm时，R分量横向衍射。因此，以下是合理的：确定防止R分量与相邻像素混合所需的循环w的最佳范围是0.1μm至0.16μm。
接下来，将参照图11描述相同像素内的颜色混合。
图11中的A示出了要用于定义相同像素中的颜色混合率的值B、ΔB、R和ΔR。具体地，如该图的A所示，值B是第一PD 12对波长为460nm的光的灵敏度，值ΔB是第一PD 12对波长为640nm的光的灵敏度，值R是第二PD 13对波长为640nm的光的灵敏度，并且值ΔR是第二PD 13对波长为460nm的光的灵敏度。在下文中，值ΔB/B将被定义为第一PD 12上的颜色混合率，并且值ΔR/R将被定义为第二PD 13上的颜色混合率。
以这种方式，通过将值定义为颜色混合率，可以定量评估颜色混合。同时，鉴于颜色校正计算中的信号处理，将矩阵系数的绝对值设定为尽可能小的将在计算之后减少噪声传播，并且抑制SN比的劣化。为了实现这一点，适当的是，使光谱特性更接近理想光谱，并且混合率可以是根据此混合率表示光谱形状的事实的适当混合率。
图11的B的左侧部分示出了在没有设置图6的A所示的衍射光栅11的情况下的颜色混合率ΔB/B和ΔR/R，而图11的B的右侧部分示出了在设置了图6的B所示的衍射光栅11(循环w为0.13μm)的情况下的颜色混合率ΔB/B和ΔR/R。
如从图11的B观察的，在设置衍射光栅11的情况下，与没有设置衍射光栅11的情况相比较，混合率ΔB/B和ΔR/R均降低。这指示颜色混合的减少。混合率ΔB/B降低的原因被认为是由于以下事实：在第一PD 12上对波长为460nm的光的吸收的增加也使得作为混合率ΔB/B的分母的值B增加。混合率ΔR/R降低的原因被认为是由于以下事实：到达第二PD 13的波长为460nm的光的减少使第二PD 13上的吸收减少，从而导致作为混合率ΔR/R的分子的值ΔR降低。
根据上述结果，观察到，设置衍射光栅11使得能够减少相同像素中的颜色混合。这使得可以在颜色校正计算的信号处理之后减少噪声传播并且抑制SN比的劣化。
<第一PD 12的变薄>
接下来，将描述减小第一PD 12的层厚度的效果。
图12示出了对于第一PD 12的层厚度在0.4μm至0.6μm的范围内变化的情况，在第二PD 13中对R分量(波长640nm)的灵敏度。图13示出了对于第一PD 12的层厚度在0.4μm至0.6μm的范围内变化的情况，在第一PD 12中混合颜色率ΔB/B。注意，图12和图13中的衍射光栅11的循环w为0.13μm。
如从图12和图13观察的，第一PD 12的层厚度越多，第二PD 13对R分量的灵敏度越高，并且第一PD 12中的颜色混合率ΔB/B越低。这被认为是由于以下事实：在R分量透射通过第一PD 12时缩短的光路长度减小了吸收，并且因此第二PD 13中的R分量的吸收相应地增加。因此，通过设置衍射光栅11、以及除此之外使第一PD 12的层厚度变薄，可以进一步增强光谱灵敏度特性。
<根据本公开的实施方案的固态成像元件的第一配置实例>
接下来，图14示出了根据本公开的实施方案的固态成像元件的第一配置实例。
固态成像元件20包括从光入射侧起按顺序层叠的片上透镜(OCL)21、有机光电转换膜22、衍射光栅23、第一PD(B-PD)24、以及第二PD(R-PD)25。注意，虽然有机光电转换膜22、第一PD 24和第二PD 25中的每一个都包括电极，但是将省略其详细描述。
片上透镜21将入射光聚集到像素中心附近的位置。有机光电转换膜22吸收入射光的G分量的光，并且将光转换成电荷。衍射光栅23使透射通过有机光电转换膜22的入射光中的B分量横向衍射，并且允许其他分量沿直线行进。在此注意，衍射光栅23的循环w在0.1μm至0.16μm的范围内，例如0.13μm(130nm)，并且沟槽深度d例如为100nm。
第一PD 24吸收通过衍射光栅23衍射的B分量并且将其转换成电荷。注意，第一PD24形成为具有0.6μm或以下的层厚度，例如0.5μm。第二PD 25吸收透射通过第一PD 24的入射光的R分量，并且将其转换成电荷。例如，第二PD 25形成为具有2.5μm的层厚度。
在固态成像元件20上，入射光通过片上透镜21聚集到像素中心附近的位置，并且最初，入射光的G分量的光被有机光电转换膜22吸收并且转换成电荷。接下来，透射通过有机光电转换膜22的入射光的B分量被衍射光栅23横向衍射、被第一PD 24吸收、并且转换成电荷。沿直线行进而不被衍射光栅23衍射的入射光的R分量被第二PD 25吸收并且转换成电荷。尽管未示出，但是可以通过在像素之间的边界处设置反射板或光吸收膜来阻止泄漏光，以便避免与相邻像素的颜色混合。
固态成像元件20包括具有以适当循环布置的散射器的衍射光栅23，并且还包括以薄层形成的第一PD 24，从而可以抑制每个像素的结构上不可避免的颜色混合并且抑制每个颜色分量的灵敏度降低。此外，由于使得固态成像元件20的每个像素的光敏度特性更接近理想光谱，因此在固态成像元件20的后续阶段处的颜色校正计算的矩阵系数被抑制为低电平，从而可以实现具有高图像质量的图像并且抑制SN比的劣化。
<根据本公开的实施方案的固态成像元件的第二配置实例>
接下来，图15示出了根据本公开的实施方案的固态成像元件的第二配置实例。
如该图中的A所示，固态成像元件30包括以方格图案的第一像素30A和第二像素30B。第一像素30A同时输出B分量和R分量的像素信号。第二像素30B输出G分量的像素信号。
此外，如该图中的B所示，第一像素30A包括从光入射侧起按顺序层叠的片上透镜31、用品红着色的片上滤色器(OCCF)32M、衍射光栅33、第一PD(B-PD)34、以及第二PD(R-PD)35。第二像素30B包括从光入射侧起按顺序层叠的片上透镜31、以绿色(G)着色的片上滤色器32G、以及第三PD(G-PD)36。
注意，虽然第一PD 34和第二PD 35以及第三PD 36中的每一个都包括电极，但是将省略其详细描述。
片上透镜31将入射光聚集到像素中心附近的位置。在像素单元中，片上滤色器32以品红色或G着色。衍射光栅33使透射通过片上滤色器32M的入射光中的B分量横向衍射，并且允许其他分量沿直线行进。在此注意，衍射光栅33的循环w在0.1μm至0.16μm的范围内，例如0.13μm(130nm)，并且沟槽深度d例如为100nm。
第一PD 34吸收通过衍射光栅33衍射的B分量并且将其转换成电荷。注意，第一PD34形成为具有0.6μm或以下的层厚度，例如0.5μm。第二PD 35吸收透射通过第一PD 34的入射光的R分量，并且将其转换成电荷。例如，第二PD 35形成为具有2.5μm的层厚度。第三PD36吸收透射通过片上滤色器32G的入射光的G分量并且将其转换成电荷。
在固态成像元件30的第一像素30A上，入射光通过片上透镜31聚集到像素中心附近的位置，并且然后透射通过片上滤色器32M的入射光的B分量被衍射光栅33横向衍射并被第一PD 34吸收以及转换成电荷。沿直线行进而不被衍射光栅33衍射的入射光的R分量被第二PD 35吸收并且转换成电荷。尽管未示出，但是可以通过在像素之间的边界处设置反射板或光吸收膜来阻止泄漏光，以便避免与相邻像素的颜色混合。
相比之下，在第二像素30B上，入射光通过片上透镜31聚集在像素中心周围的位置处，并且然后，透射通过片上滤色器32G的入射光的G分量被第三PD 36吸收并且转换成电荷。
固态成像元件30的第一像素30A包括具有以适当循环布置的散射器的衍射光栅33，并且还包括以薄层形成的第一PD 34，从而可以抑制每个像素的结构上不可避免的颜色混合并且抑制每个颜色分量的灵敏度降低。此外，由于使得固态成像元件30的每个像素的光敏度特性更接近理想光谱，因此在固态成像元件30的后续阶段处的颜色校正计算的矩阵系数被抑制为低电平，从而可以实现具有高图像质量的图像并且抑制SN比的劣化。
<根据本公开的实施方案的固态成像元件的第三配置实例>
接下来，图16示出了根据本公开的实施方案的固态成像元件的第三配置实例。
固态成像元件40包括从光入射侧起按顺序层叠的片上透镜41、B衍射光栅42、第一PD(B-PD)43、G衍射光栅44、第二PD(G-PD)45、以及第三PD(R-PD)46。
注意，虽然第一PD 43和第二PD 45以及第三PD 46中的每一个都包括电极，但是将省略其详细描述。
片上透镜41将入射光聚集到像素中心附近的位置。B衍射光栅42使入射光中的B分量横向衍射，并且允许其他分量沿直线行进。在此注意，B衍射光栅42的循环w在0.1μm至0.16μm的范围内，例如0.13μm(130nm)，并且沟槽深度d例如为100nm。第一PD 43吸收通过B衍射光栅33衍射的B分量并且将其转换成电荷。注意，第一PD 43形成为具有0.6μm或以下的层厚度，例如0.5μm。
G衍射光栅44使入射光中的G分量横向衍射，并且允许其他分量沿直线行进。在此注意，G衍射光栅44的循环w在0.1μm至0.16μm的范围内，例如0.15μm(150nm)，并且沟槽深度d例如为100nm。第二PD 45吸收通过G衍射光栅44衍射的G分量并且将其转换成电荷。例如，第二PD 45形成为具有1.8μm的层厚度。
第三PD 46吸收透射通过第一PD 43和第二PD 45的入射光的R分量，并且将其转换成电荷。例如，第三PD 46形成为具有2.6μm的层厚度。
在固态成像元件40上，入射光通过片上透镜41聚集到像素中心附近的位置，并且然后B分量被B衍射光栅42横向衍射并被第一PD 34吸收以及然后转换成电荷。沿直线行进而不被衍射光栅33衍射的入射光的R分量被G衍射光栅44横向衍射并被第二PD 45吸收以及转换成电荷。此外，透射通过第一PD 43和第二PD 45的入射光的R分量被第三PD 46吸收并转换成电荷。尽管未示出，但是可以通过在像素之间的边界处设置反射板或光吸收膜来阻止泄漏光，以便避免与相邻像素的颜色混合。
固态成像元件40包括各自具有以适当循环布置的散射器的B衍射光栅42和G衍射光栅44，并且还包括以薄层形成的第一PD 43和第二PD 45，从而可以抑制每个像素的结构上不可避免的颜色混合并且抑制每个颜色分量的灵敏度降低。此外，由于使得固态成像元件40的每个像素的光敏度特性更接近理想光谱，因此在固态成像元件40的后续阶段处的颜色校正计算的矩阵系数被抑制为低电平，从而可以实现具有高图像质量的图像并且抑制SN比的劣化。
接下来，将描述固态成像元件40的制造过程。图17示出了固态成像元件40的制造过程。
在Si衬底中形成第三PD 46和第二PD 45。具体地，通过经由离子注入向Si衬底掺杂n型(或p型)杂质并且经由退火处理激活杂质、或者通过在Si外延生长期间掺杂n型(或p型)杂质，形成第三PD 46和第二PD 45。可以采用P、As、Sb、Bi等作为n型杂质。可以采用B、In等作为p型杂质。
接下来，在第二PD 45的最外表面上形成G衍射光栅44。具体地说，通过光刻技术，以等间隔在其折射率低于Si的无机材料(氧化物、氮化物等)的膜上形成抗蚀膜，并且此后，通过干蚀刻处理对G衍射光栅44进行循环衍射。注意，可以通过化学蚀刻移除表面上的损伤层并且将其形成为锥形。
接下来，在通过使p-Si(或n-Si)选择性地生长而嵌入G衍射光栅44之后，第一PD43以与第二PD 45等的情况类似的方式形成。接着，在第一PD 43的上方形成B衍射光栅42。具体地，通过光刻以等间隔施加抗蚀膜，并且此后通过干蚀刻处理将不规则体形成为B衍射光栅42。最后，形成穿透电极。
注意，尽管省略了对固态成像元件20和30的制造过程的描述，可以通过与上述固态成像元件40的制造过程类似的方法来制造这些固态成像元件。
<修改实例>
在固态成像元件的上述第一至第三结构实例中，入射光中具有预定波长的光被衍射光栅衍射。
在以下描述的修改实例中，通过表面等离子共振(SPR)使入射光中的预定波长的光横向弯曲，通过布置金属纳米颗粒或纳米线而不是衍射光栅来生成所述表面等离子共振(SPR)。
这里将描述表面等离子体共振。图18示出了表面等离子体共振的原理。
如图所示，在金属纳米颗粒(或金属纳米线)布置在Si面上的情况下，生成表面等离子体共振。在金属纳米颗粒上，光电场和等离子体激元彼此耦合以便生成光吸收，从而导致生成本地显着增强的电场。此时，光能转化成表面等离子体激元，其在金属表面上或金属表面之间传播，从而允许光横向行进。此外，此电场使得能够从Si表面进行吸收作为近场光。例如，金可以是与B分量的光共振的金属材料，并且银可以是与G分量的光共振的材料。
<根据本公开的实施方案的固态成像元件的第四配置实例>
图19示出了根据本公开的实施方案的固态成像元件的第四配置实例。固态成像元件50是图14所示的固态成像元件20的修改实例。在这个修改实例中，固态成像元件20中的衍射光栅23被直径为100nm或以下的银纳米颗粒(可以是银纳米线)51替换。其他组成部分由与固态成像元件20的组成部分相同的参考数字表示，并且将省略对其的描述。
例如，通过首先允许银纳米颗粒预先胶体地分布在有机液体中、并且然后通过旋涂将银纳米颗粒施加到第一PD 24的最外表面、或通过真空沉积附着银纳米颗粒，可以形成银纳米颗粒51。注意，不需要在Si表面上布置银纳米颗粒51，但是为了减少暗电流，可允许将其配置在Si表面附近。在这种情况下，布置可以在使得近场光能够到达Si的范围内，例如距离Si表面300nm或以下的距离。
在固态成像元件50上，根据B分量的光，通过银纳米颗粒51生成表面等离子体激元，B分量横向传播并且其他分量沿直线行进。因此，可以获得与固态成像元件20的情况类似的作用和效果。
<根据本公开的实施方案的固态成像元件的第五配置实例>
图20示出了根据本公开的实施方案的固态成像元件的第五配置实例。固态成像元件60是图15所示的固态成像元件30的修改实例。在这个修改实例中，固态成像元件30的第一像素30A中的衍射光栅33被直径为100nm或以下的银纳米颗粒(可以是银纳米线)61替换。其他组成部分由与固态成像元件30的组成部分相同的参考数字表示，并且将省略对其的描述。
银纳米颗粒61的形成与固态成像元件50中的银纳米颗粒51的形成类似，并且因此将省略对其的描述。
在固态成像元件60上，根据B分量的光，通过银纳米颗粒61生成表面等离子体激元，B分量横向传播并且其他分量沿直线行进。因此，可以获得与固态成像元件50的情况类似的作用和效果。
<固态成像元件的应用实例>
图21是示出使用上述固态成像元件的应用实例的图。
上述固态成像元件适于对包括可见光、红外光、紫外线和X射线的光进行感测的各种情况。此类情况的实例如下所述。
·用于为了娱乐而捕获图像的装置，诸如数码相机和具有相机功能的移动电话。
·用于交通的装置，诸如车载传感器，其拍摄车辆的前、后、周围、内部等以便确保安全驾驶(包括自动停车)并且识别驾驶员的情况；用于监视驾驶车辆和道路的监视器相机；以及用于执行车辆之间的距离的测量的测距传感器等。
·家用电器(包括电视、冰箱和空调)的装置，其用于拍摄用户的手势并且根据手势执行设备的操作。
·用于医疗和卫生保健领域的装置，诸如内窥镜以及使用红外光的接收进行血管造影的装置。
·用于安全的装置，诸如用于犯罪预防的监视器相机和用于个人认证的相机。
·用于美容的装置，诸如用于拍摄皮肤的皮肤测量仪器、以及用于拍摄头皮的显微镜。
·用于运动的装置，诸如运动型相机和用于运动应用的可穿戴相机。
·用于农业的装置，诸如用于监视田野和作物情况的相机。
注意，本公开的实施方案不限于上述实施方案，而是可以在本公开的范围内以各种方式进行修改。
本公开还可以被如下配置。
(1)
一种包括垂直光谱结构像素的固态成像元件，所述垂直光谱结构像素包含层叠的多个光电转换单元，
其中所述垂直光谱结构像素包括：
第一光电转换单元，其被配置成根据入射光中具有第一波长的光生成电荷；
第二光电转换单元，其被配置成根据已经透射通过所述第一光电转换单元的所述入射光中具有第二波长的光生成电荷；以及
第一光谱单元，其在所述第一光电转换单元的上表面上形成并且被配置成使具有所述入射光的所述第一波长的光的行进方向横向弯曲。
(2)
根据(1)所述的固态成像元件，
其中所述第一光谱单元使所述入射光的所述第一波长的光的行进方向沿所述第一光电转换单元的延伸方向弯曲。
(3)
根据(1)或(2)所述的固态成像元件，
其中所述第一光谱单元允许所述入射光中除了具有所述第一波长的光之外的光沿直线行进，而不改变所述光的行进方向。
(4)
根据(1)至(3)中任一项所述的固态成像元件，
其中所述第一光谱单元是衍射光栅。
(5)
根据(1)至(3)中任一项所述的固态成像元件，
其中所述第一光谱单元是金属纳米颗粒或金属纳米线。
(6)
根据(1)至(5)中任一项所述的固态成像元件，
其中所述第一光电转换单元的层厚度与所述第二光电转换单元的操作厚度相比是更薄的。
(7)
根据(1)至(6)中任一项所述的固态成像元件，
其中所述垂直光谱结构像素还包括第三光电转换单元，其被配置成根据所述入射光中具有第三波长的光生成电荷，
所述第一光电转换单元根据具有所述第一波长的光生成电荷，所述光已经透射通过所述第三光电转换单元并且其行进方向被所述第一光谱单元弯曲，并且
所述第二光电转换单元根据已经透射通过所述第三光电转换单元、所述第一光谱单元和所述第一光电转换单元的所述入射光中具有所述第二波长的光生成电荷。
(8)
根据(1)至(7)中任一项所述的固态成像元件，
其中所述第一和第二光电转换单元是PD，并且所述第三光电转换单元是有机光电转换膜。
(9)
根据(1)至(6)中任一项所述的固态成像元件，
其还包括非垂直光谱结构像素，所述非垂直光谱结构像素包括第三光电转换单元，其被配置成根据所述入射光中的所述第三波长的光生成电荷。
(10)
根据(9)所述的固态成像元件，其中所述第一至第三光电转换单元是PD。
(11)
根据(9)或(10)所述的固态成像元件，
其中所述非垂直光谱结构像素还在所述第三光电转换单元的上表面上包括滤色器，其被配置成仅透射所述第三波长的光，并且
所述垂直光谱结构像素还在所述第一光谱单元的上表面上包括滤色器，其被配置成仅透射具有所述第一波长和所述第二波长的光。
(12)
根据(1)至(6)中任一项所述的固态成像元件，
其中所述垂直光谱结构像素还包括：
第三光电转换单元，其被配置成根据入射光中具有第三波长的光生成电荷；以及
第二光谱单元，其在所述第三光电转换单元的上表面上形成并且被配置成使具有所述入射光的所述第三波长的光的行进方向横向弯曲，
所述第三光电转换单元根据已经透射通过所述第一光谱单元和所述第一光电转换单元的所述入射光中具有所述第三波长的光生成电荷，以及
所述第二光电转换单元根据已经透射通过所述第一光谱单元、所述第一光电转换单元、所述第二光谱单元和所述第三光电转换单元的所述入射光中具有第二波长的光生成电荷。
(13)
根据(12)的固态成像元件，其中所述第二光谱单元是衍射光栅、金属纳米颗粒和金属纳米线中的一个。
(14)
根据(12)所述的固态成像元件，其中所述第一至第三光电转换单元是PD。
(15)
根据(1)至(14)中任一项所述的固态成像元件，
其中所述垂直光谱结构像素还包括聚光单元，其被配置成将所述入射光聚集到所述垂直光谱结构像素中心附近的位置。
(16)
根据(7)至(15)中任一项所述的固态成像元件，
其中具有所述第一波长的光是B分量的光，具有所述第二波长的光是R分量的光，并且具有所述第三波长的光是G分量的光。
(17)
一种包括固态成像元件的电子设备，所述固态成像元件包括垂直光谱结构像素，所述垂直光谱结构像素包含层叠的多个光电转换单元，
其中所述垂直光谱结构像素包括：
第一光电转换单元，其被配置成根据入射光中具有第一波长的光生成电荷；
第二光电转换单元，其被配置成根据已经透射通过所述第一光电转换单元的所述入射光中具有第二波长的光生成电荷；以及
第一光谱单元，其在所述第一光电转换单元的上表面上形成并且被配置成使具有所述入射光的所述第一波长的光的行进方向横向弯曲。
附图标记列表
11 衍射光栅
12 第一PD
13 第二PD
20 固态成像元件
21 片上透镜
22 有机光电转换膜
23 衍射光栅
24 第一PD
25 第二PD
30 固态成像元件
30A 第一像素
30B 第二像素
31 片上透镜
32 片上滤色器
33 衍射光栅
34 第一PD
35 第二PD
36 第三PD
40 固态成像元件
41 片上透镜
42 B衍射光栅
43 第二PD
44 G衍射光栅
45 第二PD
46 第三PD
50 固态成像元件
51 银纳米颗粒
60 固态成像元件
61 银纳米颗粒。

Claims (15)

1.一种包括垂直光谱结构像素的固态成像元件，所述垂直光谱结构像素包含层叠的多个光电转换单元，
其中所述垂直光谱结构像素包括：
第一光电转换单元，其形成在衬底中且被配置成根据入射光中具有第一波长的光生成电荷；
第二光电转换单元，其形成在所述衬底中且位于所述第一光电转换单元下方，所述第二光电转换单元被配置成根据已经透射通过所述第一光电转换单元的所述入射光中具有第二波长的光生成电荷，其中，所述第二波长大于所述第一波长；以及
第一光谱单元，其在所述第一光电转换单元的上表面上形成且没有形成在所述第二光电转换单元的表面上，并且被配置成使具有所述入射光的所述第一波长的光的行进方向横向弯曲，
其中所述第一光谱单元是衍射光栅、金属纳米颗粒和金属纳米线的一种。
2.根据权利要求1所述的固态成像元件，
其中所述第一光谱单元使所述入射光的所述第一波长的光的行进方向沿所述第一光电转换单元的延伸方向弯曲。
3.根据权利要求2所述的固态成像元件，
其中所述第一光谱单元允许所述入射光中除了具有所述第一波长的光之外的光沿直线行进，而不改变所述光的行进方向。
4.根据权利要求2所述的固态成像元件，
其中所述第一光电转换单元的层厚度与所述第二光电转换单元的操作厚度相比是更薄的。
5.根据权利要求2所述的固态成像元件，
其中所述垂直光谱结构像素还包括第三光电转换单元，其被配置成根据所述入射光中具有第三波长的光生成电荷，
所述第一光电转换单元根据具有所述第一波长的光生成电荷，具有所述第一波长的光已经透射通过所述第三光电转换单元并且其行进方向被所述第一光谱单元弯曲，并且
所述第二光电转换单元根据已经透射通过所述第三光电转换单元、所述第一光谱单元和所述第一光电转换单元的所述入射光中具有所述第二波长的光生成电荷。
6.根据权利要求5所述的固态成像元件，其中所述第一和第二光电转换单元是PD，并且所述第三光电转换单元是有机光电转换膜。
7.根据权利要求2所述的固态成像元件，
进一步包括非垂直光谱结构像素，所述非垂直光谱结构像素包括第三光电转换单元，其被配置成根据所述入射光中的第三波长的光生成电荷。
8.根据权利要求7所述的固态成像元件，其中所述第一至第三光电转换单元是PD。
9.根据权利要求7所述的固态成像元件，
其中所述非垂直光谱结构像素在所述第三光电转换单元的上表面上进一步包括滤色器，其被配置成仅透射所述第三波长的光，并且
所述垂直光谱结构像素在所述第一光谱单元的上表面上进一步包括滤色器，其被配置成仅透射具有所述第一波长和所述第二波长的光。
10.根据权利要求2所述的固态成像元件，
其中所述垂直光谱结构像素进一步包括：
第三光电转换单元，其被配置成根据入射光中具有第三波长的光生成电荷；以及
第二光谱单元，其在所述第三光电转换单元的上表面上形成并且被配置成使具有所述入射光的所述第三波长的光的行进方向横向弯曲，
所述第三光电转换单元根据已经透射通过所述第一光谱单元和所述第一光电转换单元的所述入射光中具有所述第三波长的光生成电荷，以及
所述第二光电转换单元根据已经透射通过所述第一光谱单元、所述第一光电转换单元、所述第二光谱单元和所述第三光电转换单元的所述入射光中具有第二波长的光生成电荷。
11.根据权利要求10所述的固态成像元件，
其中所述第二光谱单元是衍射光栅、金属纳米颗粒和金属纳米线中的一种。
12.根据权利要求10所述的固态成像元件，
其中所述第一至第三光电转换单元是PD。
13.根据权利要求2所述的固态成像元件，
其中所述垂直光谱结构像素进一步包括聚光单元，其被配置成将所述入射光聚集到所述垂直光谱结构像素中心附近的位置。
14.根据权利要求5所述的固态成像元件，
其中具有所述第一波长的光是B分量的光，具有所述第二波长的光是R分量的光，并且具有所述第三波长的光是G分量的光。
15.一种包括固态成像元件的电子设备，所述固态成像元件包括垂直光谱结构像素，所述垂直光谱结构像素包含层叠的多个光电转换单元，
其中所述垂直光谱结构像素包括：
第一光电转换单元，其形成在衬底中且被配置成根据入射光中具有第一波长的光生成电荷；
第二光电转换单元，其形成在所述衬底中且位于所述第一光电转换单元下方，所述第二光电转换单元被配置成根据已经透射通过所述第一光电转换单元的所述入射光中具有第二波长的光生成电荷，其中，所述第二波长大于所述第一波长；以及
第一光谱单元，其在所述第一光电转换单元的上表面上形成且没有形成在所述第二光电转换单元的表面上，并且所述第一光谱单元被配置成使具有所述入射光的所述第一波长的光的行进方向横向弯曲，
其中所述第一光谱单元是衍射光栅、金属纳米颗粒和金属纳米线中的一种。
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