CN107635620A - 具有缠绕电阻器的光敏像素结构 - Google Patents

具有缠绕电阻器的光敏像素结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光敏像素结构(10)。像素结构(10)包括衬底(15)和至少一个光敏二极管(12、12'、12”)、刺激电极(14)和电阻器(16)。电阻器(16)与电极(14)和对电极(18)电连接。此外，电阻器(16)至少部分地被刺激电极(14)覆盖和/或电阻器(16)至少部分地被对电极(18)覆盖。

Description

具有缠绕电阻器的光敏像素结构
本发明涉及一种具有包含电阻器的至少一个光敏像素结构的光敏植入物。
已知的植入系统，其有助于为例如因诸如色素性视网膜炎的退行性疾病而导致失明的患者恢复至少一部分视力。根据以下事实：尽管部分视网膜组织已经退化，但大部分视网膜仍然是完好的且仍然可以受到依赖于光的电刺激的直接刺激，至少在一定程度上可以利用植入物来恢复视力。能够通过植入系统来提供这种电刺激。这种系统通常包括放置在患者眼睛前方的特殊护目镜以及包括多个电极的植入物，特别是视网膜下植入物。
在护目镜中通常提供摄像头。摄像头适于捕获患者前方的场景。该捕获的场景可以从视觉信息转换为预定的IR光脉冲信号。在这种情况下，植入物适于接收这些IR光脉冲，并且作为响应，基于由摄像头接收到的场景内容来刺激植入物上的光敏区域。然后，植入物将所接收的光转化为可以刺激视网膜中的剩余细胞的电流。
为此，植入物包括一个或更多个像素阵列，其中，每个单独的像素包括一个或更多个二极管区域、刺激电极和可能的对电极。刺激电极通常布置在像素的中心。在像素的各个二极管之间以及在阵列的各个像素之间提供凹槽，以便使这些特定的区域彼此隔离。在二极管和电极之间提供电连接以使部件互相连接。
如果IR脉冲被引导到像素或更确切地说像素的光敏区域，则作为响应，相应的光电二极管电路产生电脉冲。
为了可靠地刺激剩余细胞，一方面，电流密度，即电荷，应该尽可能的高以便充分刺激剩余细胞，所述电荷实际上为在预定时间内每电磁脉冲(例如每IR脉冲)每相传送的电荷。另一方面，电流密度不应太高。否则，可能会发生组织损伤或电极损坏。此外，单个电极上的电压不应超过水解极限，否则周围的水将会离解。并且，对周围组织的潜在损伤以及电极失效可能是其后果。此外，施加到植入物的电极的电压理想地应该在刺激脉冲之后并且在任何后续脉冲之前降回到零伏，以允许平衡由植入物施加的正电荷和负电荷。否则，电极可能会传送一些残留的直流(DC)电流，其可能损伤周围的组织以及电极本身。现有技术的系统通常不能提供高电荷和/或允许满足电荷平衡。可以发现现有技术系统的另外的缺点在于，电极大小、二极管大小和电阻器电阻可能不能自由地相适应。
还已知，电极阵列包括电极，即至少一个刺激电极或工作电极，以及至少一个对电极(也成为反电极)，其中附加电阻器设置在电极之间的电路中。该附加电阻器也可以称为分流电阻器。Wang等(光电视网膜假体：植入物制造和性能(Photovoltaic retinalprosthesis:implant fabrication and performance)；J Neural Eng.2012年八月；9(4))描述了添加分流电阻器有助于加速刺激波形的放电阶段。Loudin等(IEEE生物医学电路与系统会刊；第5卷)建议在视网膜假体中使用用于光电二极管电路的分流电阻器。同样地，Mandel等(由光电视网膜下假体引起的皮质反应表现出与视觉诱发电位类似(Corticalresponses elicited by photovoltaic sub-retinal prostheses exhibitsimilarities to visally evoke potentials)；自然通讯)和Boinagrov等(用于神经刺激的光电像素：电路模型和性能(Photovoltaic Pixels for Neural Stimulation:CircuitModels and Performance)；IEEE)提到借助于光电像素的视网膜下阵列来光学激活神经刺激。Mathieson等(具有高像素密度的光电视网膜假体(Photovoltaic retinal prosthesiswith high pixel density)；自然光子学)也描述了具有视网膜下光电二极管阵列的视网膜假体系统。
分流电阻器允许使在IR脉冲的第一相期间传送的电荷被快速地放电并且允许控制该电荷，其实际上被传送到组织。如果分流电阻器具有高电阻，或如果没有分流电阻器，则在脉冲的第一相期间传送的电荷可能不会快速地放电。因此，增加了电压降回到零的时间。因此，在另一脉冲之前，不能快速充分地平衡电荷。因此，分流电阻器的高电阻可能会限制可用于下一个脉冲的电容，并且因此处于稳定状态的传送电荷会被减少。
另一方面，分流电阻器的低电阻会允许电荷快速、充分地放电，但是在分流电阻器中会损失相当大部分的光生电荷，并且传送到组织的电荷会减少。
因此，理想地调整分流电阻器(特别是分流电阻器的电阻)、电极的性能以及，实际上整个像素结构(例如二极管的大小和数量)是很重要的。
同时，必然设置在像素结构的衬底的表面上的电阻器的表面区域与可用于一个或多个光敏二极管的区域相竞争。这是因为设置在衬底的表面上的电阻器必须与光电有效区域电绝缘，以确保像素结构的正确运作。通常，电阻器的电阻取决于电阻器的大小，例如其长度或其横截面。然而，像素结构的设计要素和期望的性能限制了电阻器设计的自由度。特别地，由电阻器引起的光敏区域的任何减少是不期望的。否则，像素结构的效率可能会降低。例如，如果仅增加了刺激电极和对电极之间的电阻器的大小，这通常会增加电阻器所覆盖的区域，则会出现上述情况。因此，可用作光敏区域的区域将会随着电阻器所需空间的增加而减小相同的程度。
一种增加电阻器的电阻的替选方法可以通过仅在衬底上轻掺杂多晶硅带条来提供高欧姆电阻，所述多晶硅带条形成电阻器的基层。然而，如果掺杂密度变得太低并且难以控制，则这种方法通常会导致所制造的电阻器的值的不期望的大变化性。这可能会使设备无法用于目标应用。
在不增加表面区域的情况下来增加电阻的另一个选择可以是减小电阻器的宽度。然而，通常所需的电阻是在千欧姆或兆欧姆的范围内，这使得具有足够狭长结构的电阻器可能达到了制造限制。
因此，本发明的目的是提供一种光敏像素结构，其克服了现有技术系统的至少一个缺点。特别地，本发明的目的是允许为各种光敏结构的特定要求提供合适的电阻器，同时允许促进生产。
根据本发明，利用根据权利要求1的像素结构、根据权利要求9的像素阵列以及根据权利要求11的植入物来解决所述问题。此外，通过根据权利要求13的方法来解决所述问题。从属权利要求的主题是有利的扩展。
根据本发明的一个方面，光敏像素结构包括衬底和至少一个光敏二极管、刺激电极以及设置在衬底上的电阻器。电阻器与刺激电极和对电极电连接。此外，电阻器至少部分地被刺激电极覆盖。另外地或替选地，电阻器可以部分地被对电极覆盖。
特别地，在提供像素阵列的情况下，可以为阵列上的多个像素结构或所有像素结构设置一个对电极。在这些情况下，对电极还可以至少部分地覆盖与对电极连接的多个或所有电阻器。还应当注意，这种对电极不一定必须以相同的程度覆盖与其连接的所有电阻器。
通过在刺激电极和/或对电极之下设置电阻器，可以拉长电阻器，从而在无需改变电阻器的掺杂密度或电阻的横截面的情况下，可以增加其电阻。可用于光敏二极管的表面区域可以因此不受影响。以这种方式，可以产生具有各种特性(诸如不同的电极大小、最大化的光敏区域或减小的像素大小)的像素结构。可以确定像素结构的电阻器所需的电阻率，并且可以容易地在像素结构的设计中实现电阻器的特定长度。
为了使电阻器与相应的电极绝缘，电阻器可以被附加绝缘层(例如SiO2或SiC层)覆盖。因此，除了电阻器与相应的电极之间的连接点之外，绝缘层可以被夹在电阻器和电极之间。另外，为了使电阻器与像素结构绝缘，电阻器可以设置在绝缘层(例如SiO2层)上。在不脱离本发明范围的情况下，绝缘层还可以设置在像素结构的其他部分上。
为了确定电阻器的长度，当假设电阻器的预定的电阻率、宽度或横截面及其所希望的电阻时，可以使用如下等式(1)：
R＝ρ·L/S (等式1)，
其中，R是电阻器的电阻，ρ是电阻率，S是电阻器的截面面积，即对于典型的矩形截面电阻器而言是其宽度和其厚度的乘积，或者可以是电阻器的横截面面积，并且L是电阻器的长度。因此，针对所需的电阻R和特定截面面积L和电阻率ρ，期望的电阻器的长度L根据等式(2)来确定：
L＝(R·S)/ρ (等式2)。
应当注意，在技术极限内，另外的参数，例如截面面积S(即电阻器的宽度和高度)以及电阻率ρ是可以被替选地或另外地改变(例如通过改变掺杂参数)，以便根据上述所引用的等式(1)来提供所需的或所期望的电阻。
本领域技术人员应当注意，为了提供对电阻器的电特性的更加精确的评估，电阻R也可以指材料薄层电阻(material sheet resistance)Rsq。该薄层电阻表征了材料层，即材料及其在高度方向上从衬底或底层的厚度。通常，使用材料电阻率Rho和电阻器厚度T，薄层电阻理论上为Rsq＝Rho/T。从限定了电阻器的电阻的公式R＝Rho/(T*W)*L(其中L是电阻器的长度且W是电阻器的宽度)出发，推断出R＝Rsq*L/W。针对电阻器的特定长度和电阻，比值L/W给出了电阻器的“平方数量”。
由于薄层电阻在物理意义上是电阻，因此其单位理论上是欧姆[Ohm]。然而，为了在本发明的上下文中表征该薄层电阻，使用单位“欧姆每平方”或[Ohm/sq]。
举个例子，其长度是其宽度十倍大的电阻器将具有10平方的平方数量。如果这种电阻器包括具有50kOhm/sq的Rsq的材料，这意味着该电阻器将具有500kOhm的电阻。根据本发明，分流电阻器的长度可以变化，例如在10μm和1000μm之间变化。优选地，分流电阻器的长度在50-500μm之间。
根据本发明的应用，通常高值电阻器是所期望的。一方面，这可以通过高薄层电阻膜来实现。然而，这会增加像素结构的厚度。替选地，可以提供薄的和/或细长的电阻器，即具有高平方数量的电阻器。
根据本发明，材料薄层电阻Rsq应该是从100Ohm/sq到100kOhm/sq，优选1kOhm/sq–100kOhm/sq。因此，通过增加长度，即增加电阻器的平方数量，电阻器可以具有在kOhm-MOhm范围内的总电阻。
根据本发明的有利扩展，电阻器是细长型的。在上下文中，“细长”应该被理解为一种外观，其中至少一个维度(优选是限定长度的纵向维度)显著大于细长结构的其余一个或多个维度。为了理解本发明，细长电阻器是一种电阻器的纵向方向远大于，即长于确定电阻器的厚度或宽度或横截面的任何横向方向的电阻器。根据上述限定，细长电阻器因此具有高平方数量。根据本发明的一些实施例，电阻器可以设置为直线形或至少部分设置为直线形。然而，应当注意，细长电阻器并不限于直线形，而是可以具有各种形状。
因此，在本发明的一些实施例中，电阻器设置为缠绕形状，特别是在电阻器由刺激电极覆盖的区域内和/或在电阻器由对电极覆盖的区域内。在本发明的上下文中，这种“缠绕形状”应该包括盘绕形状、螺旋形状、六边形状、成角度的形状或被认为是合适的并且可以通过通常用于在衬底上形成电阻器结构的那些方法来实现的任何其他类型的形状。在没有脱离本发明范围的情况下，还可以选择许多替选方法以布置电阻器，例如，之字图案或蜿蜒图案，在本发明的上下文中这些替选方法被认为是术语“缠绕”所描述的。
为了提供具有这种个别合适的长度和形状的电阻器，具有受控或可控电阻率的高电阻材料被设置为衬底上的电阻器基层。这种材料应该进一步允许在半导体兼容过程中进行薄膜沉积。例如，这种材料可以是硅。然后，可以对沉积的电阻器基层进行掺杂，以便设置或控制最终结构的电阻率。当使用硅或另外的材料时，例如，可以利用硼、砷、磷、锑、铝、铟或镓来进行掺杂。硅可以以非晶或多晶形式进行沉积。除硅之外的其他材料也可以用于形成电阻器。然而，有利地，这些材料应该是与半导体制造过程相兼容的，应该是可以可图案化的，并且应该带来所需的电阻率。
在特定实施例中，在电阻器由刺激电极和/或对电极覆盖的区域内，电阻器可以具有缠绕形状。另外，在没有被刺激电极或对电极中任何一个所覆盖的区域内，例如，在衬底的表面上的与像素结构的光敏二极管区域共享的区域内，电阻器可以具有直线形状。然而，根据本发明的电阻器也可以在例如刺激电极所覆盖的区域内具有直线形状。应当注意，在没有改变电阻器形状的情况下，通过改变电阻器和刺激电极之间的电连接的位置，仍然可以改变电阻器的长度(甚至是具有直线形状的电阻器的长度)。
为电阻器提供缠绕形状，允许在电阻器的纵向方向上增加电阻器的长度。以这种方式，具有预定的横截面面积或宽度以及具有足够的掺杂率以充分地且可靠地限定电阻器的电特性的电阻器，可以具备足够高的电阻。因此，即使对于小型像素结构，在没有用尽衬底表面上的用于光电转换的额外表面区域的情况下，可以通过至少部分地覆盖电阻器以及通过在这些覆盖区域中缠绕电阻器来提供高欧姆电阻器。
在本发明的一些实施例中，光敏像素结构的衬底是硅衬底，优选单晶硅衬底，其还可以称为设备层。特别地，衬底可以是所谓的绝缘体上硅类型，并且至少包括SiO2层。SiO2层可以设置在衬底的表面上，在该表面上设置光敏二极管区域和/或刺激电极。另外，电阻器可以设置在该SiO2层上。替选地或另外地，SiO2层可以设置在与包括光敏结构的表面相对的表面上和/或沿着衬底中的凹槽壁设置。还可以围绕整个像素设置SiO2层。提供硅衬底可以允许改进电特性。另外，设置SiO2层可以增强硅层和SiO2层的界面处的电特性，从而增强像素结构的性能。除此之外，设置SiO2层可以允许利用其上的电阻器材料改进掺杂结果。可以通过热氧化在衬底上设置SiO2层。以这种方式，也可以沿着二极管或像素结构之间的穿过相应的层的凹槽来设置绝缘体层。替选地，还可以通过沉积方法(例如，低压化学气相沉积(LPCVD))来设置SiO2层。
作为衬底材料的替选物，在本发明的一些实施例中锗也可以用于代替硅。
根据本发明的另一扩展，对电极围绕刺激电极布置。另外地或替选地，对电极可以围绕至少一个二极管布置。同样地，电阻器可以围绕刺激电极布置和/或围绕至少一个二极管布置。
在本发明的上下文中，术语“围绕......布置”应该理解为使得对电极和/或电阻器具有细长的延伸部分，并且在该细长的延伸部分中，对电极和/或电阻器至少部分地围绕光敏像素的衬底上的区域延伸。该区域可以由刺激电极和/或至少一个或多个二极管来限定。在设置多个二极管的情况下，对电极可以围绕一个二极管或所有二极管来布置。根据该限定，对电极和/或电阻器不一定必须与例如刺激电极直接相邻。特别地，在刺激电极和对电极和/或围绕刺激电极布置的电阻器的一部分之间，可以存在光敏区域。
利用这样的布置，利用由刺激电极产生的电场的场分布的增强的均匀性，可以建立一种改进的光检测和刺激过程。优选地，对电极围绕刺激电极对称(诸如圆形地或六角形地或类似地)布置。本领域技术人员应当理解，即使只使用了一个二极管，这些实施例中的电阻器也将通过穿过二极管区域来与刺激电极和对电极电连接，使得衬底的表面区域的一部分不可用或无法用于光接收。
电阻器可以在像素结构的、由对电极覆盖的区域中平行于对电极延伸。这意味着，电阻器可以被设置为使得其具有与对电极相同的或相似的轮廓和形状。因此，电阻器可以围绕像素结构、沿着对电极的预定长度延伸。总之，由于对电极所覆盖的区域不可以用于像素结构的光接收，因此，在没有用尽像素结构的二极管区域所需的附加空间的情况下，在对电极所覆盖的区域中的电阻器的长度可以至少通过对电极的横向延伸的长度而伸长。因此，可以减小像素结构的大小。在像素阵列中，这最终可以允许整个阵列的更高分辨率。
根据本发明的一些实施例，电阻器可以具有在横向方向上的宽度，即横向于其伸长延伸的方向，所述宽度达到10μm，优选低于5μm。最优的，电阻器的宽度低于2μm。可以通过常用的制造方法来很好地产生这样的宽度，同时这样的宽度还允许减少像素结构表面的潜在的光敏区域使用的空间。随着宽度的减小，电阻的控制会发生很大的变化，并且取决于掺杂过程的准确性和其他参数，优选地，电阻器的宽度大于100nm。优选地，电阻器的宽度大于500nm。因此，电阻器具有500nm和2μm之间的优选范围。
在光敏像素结构中，期望在衬底或底层上的电阻器的厚度尽可能的薄。根据一些实施例，电阻器的厚度大约为1μm或以下。优选地，电阻器的厚度大约为500nm或以下。另外，如上所述，为了能够实现足够的控制，电阻器不可以太薄。因此，电阻器具有大于50nm的厚度，优选大于100nm。因此，电阻器可以具有大约50nm到1μm的厚度，优选100nm–500nm的厚度。
电阻器的掺杂，即植入物剂量可以在1012-1016atoms(原子)/cm2之间。可以通过常用的方法生产具有这种厚度和掺杂密度的结构。因此，根据本发明，可以促进生产其分流电阻器具有足够高电阻值的像素结构。
在衬底上或设置在衬底上的任何层上的电阻器可以例如具有非晶结构或多晶结构。
在本发明的另一扩展中，在一个像素内设置多个二极管，诸如两个二极管或三个二极管。
根据本发明的另一方面，提供了像素阵列，其中像素阵列包括至少一个，优选多个根据本发明的第一方面的光敏像素结构，其中以阵列来布置像素结构。
特别地，像素结构可以被布置为使得可以最佳使用衬底上的用于像素阵列的可用空间。例如，这可以通过将各个像素结构设置成六边形形状以使得一个像素与另外六个周围的像素相邻。以这种方式，像素阵列可以具备增加的分辨率。然而，单个像素结构也可以具有八边形或矩形形状。在不脱离本发明范围的情况下，像素结构也可以具有圆形或菱形形状或任何其他、甚至任意形状。应当理解，阵列内的像素结构也可以具有不同的形状，例如像素结构的一部分可以具有六边形形状，而其余部分可以具有例如五边形形状。这可以允许提供或改进具有曲线形状或具有柔性特征的阵列。
在这样的像素阵列中，可以设置中心对电极，其连接到多个刺激电极。可以通过电阻器来提供各个刺激电极与中心对电极的连接。在这种情况下，一个或更多个电极可以布置在对电极之下，即对电极可以覆盖电阻器中的一个或更多个，特别是与对电极连接的电阻器中的一个或更多个。
像素阵列的各个像素结构可能对入射光的相同刺激波长都是敏感的。然而，像素阵列也可以适于包括对入射光的其他波长敏感的像素结构或像素结构组。为了实现这种测量，光敏像素结构的一部分可以适用于特定的波长。根据本发明，特别地，这可以通过改变光敏区域、即二极管、电极以及相应的电连接(诸如电阻器)的特性来实现。为了使电阻器的电阻适合于像素阵列的像素结构的各个特性，在生产过程中，电阻器可以设置有相同的宽度和相同的原子掺杂密度，但是也可以为各个电阻器设置变化的长度。以这种方式，能够促进相同像素阵列内的具有不同电特性(诸如脉冲后松驰或电荷平衡的特性)的像素结构的生产。
根据本发明的另一方面，提供了植入物，其包括光敏像素阵列或至少一个光敏像素结构。通过为植入物提供光敏像素阵列或结构，使植入物成为光敏植入物，当被植入时，该光敏植入物可以提供电刺激或能量供应。特别地，光敏植入物可以为活组织(诸如神经组织)或细胞，提供电刺激。特别地，植入物可以允许对患者眼睛的视网膜组织进行电刺激。以这种方式，可以至少部分恢复患者的视力。
为了刺激活组织或细胞，植入物被植入到例如患者或动物的组织中。当植入时，电极优选地被布置为使得其可以与待刺激的组织或细胞接触或至少功能上接近。
应当理解，根据本发明的方面之一的光敏结构、光敏像素阵列和/或植入物可以刺激各种活组织或细胞。特别地，根据本发明的任何方面的设备可以与眼睛的神经组织(特别是视网膜)、耳朵的神经组织(特别是内耳)、心脏、脊椎、肌肉或身体的各种器官的组织(特别是神经或肌肉组织)结合使用。除此之外，根据任何方面的设备可以用于直接或间接地刺激神经或神经索，例如，通过非特定刺激接近神经或神经索的组织区域。
根据本发明，当光敏像素区域检测到足够的光刺激，即在像素结构的二极管上检测到足够的光刺激时，根据本发明的像素在刺激电极上产生电荷。因此，假设可以实现至少一个二极管的光激励以及由此可以实现在该二极管连接的刺激电极上产生电荷，则组织内的任何位置可以适于接收植入物。
由光穿过象素上的二极管而产生的这种激励可以由外部光源，即设置有植入物的身体之外的光源来施加。替选地，光源可以由来自设置有植入物的身体内的另外的植入物或另外的器件提供。特别地，红外光或光脉冲可以用于照亮像素的光敏区域。这种IR光也可以适用于，例如，从待刺激的器官或活组织的外部穿透若干层组织，特别是携带植入物的患者的皮肤或另外的组织层。
在优选实施例中，植入物是视网膜下植入物。这允许将植入物植入到患者的眼睛内，即视网膜下，以绕过视网膜的任何受损组织。因此，电脉冲可以紧邻仍然在视网膜中起作用的敏感神经细胞产生。有利地，光敏植入物还可以包括密封层或密封涂层，以保护植入物结构免受腐蚀或损坏。
根据本发明的另一方面，一种提供根据本发明的方面之一的像素结构、以及最终的、像素阵列或植入物的方法包括第一步骤：提供衬底。在衬底上，在另一步骤中，设置至少一个光敏二极管区域。另外，在没有被至少一个二极管占据或者不旨在被占据的区域中的衬底上或衬底内设置电阻器。此外，刺激电极和/或对电极设置在衬底上。刺激电极和/或对电极被设置为使得其至少部分覆盖电阻器。
在根据本发明的方法的一些实施例中，电阻器被设置为直的、细长的结构。另外地或替选地，电阻器可以至少部分设置为缠绕形状。特别地，电阻器可以设置为缠绕形状，优选螺旋或盘绕形状，特别是在后续步骤中将被刺激电极覆盖的区域内被设置为缠绕形状，优选螺旋或盘绕形状。
应当注意，提供根据本发明的像素结构、设备或植入物的步骤的顺序可以以与本文所列的顺序不同的顺序来应用。
在一些实施例中，通过对衬底或附加衬底结构(诸如非晶结构或多晶结构)，特别是硅，进行原子掺杂来设置电阻器。这可以允许生产具有高度可限定的电特性的小型结构。
在另外优选实施例中，电阻器通过对从非晶硅和多晶硅中选择的材料的薄带进行原子掺杂来设置，使得电阻器能够以有效的方式来设置。
电阻器可以通过形成第一材料的第一分流电阻器和不同于第一材料的第二材料的至少一个第二分流电阻器，并将第一分流电阻器与至少一个第二分流电阻器串联连接来设置。该方法提供了一种更好地微调分流电阻器值的方式。
替选地，电阻器可以通过形成第一材料的第一分流电阻器和不同于第一材料的第二材料的至少一个第二分流电阻器，并将第一分流电阻器与至少一个第二分流电阻器并联连接来设置。该方法提供了一种更好地微调分流电阻器值的方式。
在有利的实施例中，至少第一材料是金属，特别是形成金属层的金属，该金属层使光敏二极管彼此互相连接，并且使光敏二极管与电极互相连接。利用该实施例实现了提供分流电阻器的另一有效的方法，所述方法可以使用现有的金属化层。
还可以为植入物的整个像素阵列或者为像素阵列内的一个或更多个像素结构设置二极管，其适于接收特定波长，而其他像素结构可以适于接收另一波长。可以通过不同地操控(例如掺杂)衬底来调整二极管的特性，以提供光敏二极管区域。
根据本发明，对于每个像素结构，在所有其余参数(诸如电阻率、横截面、高度等)在一个衬底上为常数的情况下，其分流电阻器的不同电阻可以通过改变电阻器的长度来提供。以这种方式，可以产生像素阵列内的具有不同电特性的像素结构。因此，像素阵列的性能和功能可以被增强并且可以用于多种用途。特别地，可以为不同的刺激方案提供不同的波长信号，或可以允许在不同的电极处刺激不同的细胞。另外，通过不同的波长，可以实现向植入物的植入控制单元传输信息，而同时，能够不间断的进行用于刺激细胞的信号或光传输。
参照附图在以下描述中将发现本发明的另外的细节、优选实施例和优点，其中：
图1是根据本发明的实施例的具有电阻器的光敏像素结构的示例；
图2是根据本发明的实施例的具有两个相邻像素的半导体结构的示意性横截面图；
图3示出了根据本发明的实施例的电极阵列；
图4是具有接线电路的示意图的图1的光敏像素的透视图；
图5是根据本发明的实施例的具有电阻器的光敏像素结构的示例；
图6是根据本发明的实施例的具有电阻器的光敏像素结构的示例。
图1示出了根据本发明的实施例的光敏像素结构10。光敏像素结构10，在下文中也称为像素，包括光敏二极管12、中心电极14和电阻器16。在像素结构10的外周缘处，设置对电极18，其通常也称为反电极。对电极18能够布置在每个单独的像素结构10上，如图1所示，例如在每个像素结构10的周缘处。这意味着，如将结合图3在下文中所讨论的，反电极是局部的，并且位于像素结构的阵列1的不同中心电极之间。这通常也被称为“双极”配置。
对于这种双极布置，可以有两种配置。反电极可以彼此分离。这意味着，在这种情况下的像素是彼此完全独立的。替选地，各个像素结构的所有反电极或者成组的反电极或者成组的像素结构可以连接在一起，以便有效地产生一种网格状结构。该结构可以，例如包括可以遍布在整个像素阵列1之上的多个六边形像素。在图3中显示出这种像素阵列的示例。
作为另一替选配置，中心反电极(未示出)可以被布置为与像素结构10分离，例如，被布置在像素阵列上远离像素结构的位置处。特别地，这种中心反电极可以设置在植入物上的偏远位置处。这种配置也可以被称为单极配置。应当注意，反电极不一定必须处于植入物的几何中心。此外，多个这样的中心反电极可以分布在植入物或像素阵列之上。
图1所示的实施例中的像素结构10具有大致对称的六边形形状。像素结构10的六边形形状是由凹槽20所限定的，所述凹槽20围绕像素结构布置并且使像素结构与邻近结构电绝缘。可以通过在凹槽20的至少一个侧壁上热生长或通过经由沉积设置SiO2层来确保凹槽的电绝缘。可替代地或另外地，凹槽20例如可以包括多晶硅或由多晶硅组成。在与该六边形的每一侧边相邻，可以设置另外的像素10'。在图3中示出了像素10的像素阵列1的一个实施例的示例，该像素阵列1在本发明的上下文中也被称为电极阵列。在替选实施例中，各个像素的形状也可以不同。例如，像素可以具有八边形或矩形形状。在不脱离本发明保护范围的情况下，像素也可以具有圆形或菱形形状或任何其他、甚至任意形状。
各个像素通过凹槽20彼此分离。凹槽20包括电绝缘材料。各个邻近的像素10优选地彼此电绝缘。如图1的实施例中所示的对电极18沿着凹槽20的延长部分布置，该凹槽20围绕像素10的有效区域的周缘，因此具有同样的(此处为六边形)轮廓。
在图1所示的实施例中，像素10还包括两个二极管12、12'。二极管12、12'布置为内接在六边形像素形状的区域内。优选地，二极管12、12'对称布置。在二极管12、12'之间设置绝缘凹槽20'。二极管12、12'之间的绝缘凹槽20'具有与绝缘凹槽20大致相同的特性。因此，像素10的不同二极管12、12'基本上彼此电绝缘。应当理解，尽管凹槽20'布置在像素内，即光敏元件的衬底15内，但仍然可以建立由凹槽20、20'分离和绝缘的对象之间的电接触。在根据图1的实施例中，例如，通过电触头22来连接二极管12、12'。如将关于图4进一步详细描述的，以这种方式，在根据图1的实施例中，二极管12、12'相对于彼此串联连接。
在根据图1的实施例的投影视图中，二极管12、12'表示像素10的光敏区域。在该实施例中，二极管12、12'的表面区域，即光敏区域基本上是围绕像素10的对称轴对称的。在图1的实施例中，这种对称轴可以例如与分离像素10的二极管12、12'的凹槽20'相一致。在其他实施例中，二极管的数量可以是不同的。特别地，可以仅设置一个二极管12。这允许增加像素的光敏区域，因为不需要设置凹槽20'来分离像素10内的各个二极管。在另外的实施例中，可以在一个像素中设置三个二极管12、12'、12”或三个以上的二极管。如果在像素10中设置多于两个的二极管，则各个二极管12、12'、12”也可以彼此串联连接，如上述已经针对双二极管像素结构所讨论的。一个像素内的二极管以及不同像素之间的二极管都可以通过如上所述的凹槽20、20'来分离。这可以减少二极管与像素之间的串扰，并且从而增加整个像素阵列的分辨率和可靠性。
如果需要增加作为接收的光信号的响应的电压，则可以为一个像素设置多个二极管，例如两个或三个二极管。在这种情况下，二极管可以串联连接，其中N个二极管的电压是仅由一个二极管产生的电压的N倍大。另一方面，二极管数量的增加意味着每个像素中每个二极管可以收集更少的光。与仅具有一个或几个二极管相比，当具有多个二极管时，串联连接的这些二极管中的每个二极管所产生的电流可以显著地降低。通常，具有一个二极管的电路中的电流是具有N个二极管的电路中的电流的N倍大。因此，这是一个选择问题，哪个参数(即电流或电压)对于个别应用来说是更期望的。在神经刺激的具体情况下，所需的刺激参数可以取决于待激励的组织和/或各个细胞(特别是神经细胞)、植入物的位置以及甚至患者的个体情况，可能是年龄、疾病状态以及一般生理状况。
通过以预定的方式对衬底的表面的特定区域进行掺杂，例如，如图2中所例证的，通过p+掺杂一个区域并且n+掺杂另一个相邻区域，可以在衬底15上设置二极管。相应地，衬底表面上可用于掺杂的区域是可以允许光检测的区域。因此，由电阻器16和凹槽20'所占据的区域可能没有被掺杂，因此作为光敏区域而损失。本领域技术人员将意识到，根据诸如波长、灵敏度、使用的材料等的应用的需求，可以不同于图2的示例来进行二极管的掺杂。
如可以在图1中进一步看到的，在像素结构10的中心设置电极14。由于其中心位置，该电极14也被称为中心电极。此外，由于该电极通常用于进行刺激，因此该电极也被称为刺激电极。所示实施例中的刺激电极14被设置为具有圆形形状。电极也可以具有不同的形状，诸如与反映像素10的轮廓的凹槽20或反电极18的形状相似的形状。当前示出的实施例选择圆形形状，使得来自刺激电极14的电场可以是均匀的。取决于目标应用，所述形状还可以包括允许不太均匀的、局部增强的场分布的形状。
根据本发明的一些实施例，像素10的电极14应适用于刺激周围组织，优选神经组织，特别是活体内的视网膜的神经组织。通常，电极包括铂、氧化铱和/或氮化钛。替选地，铱、铂铱、掺杂金刚石或类金刚石碳或PEDOT:PSS或其他已知材料可以用作电极材料。特别地，电极材料的优选结构可以是高度多孔结构，诸如多孔结构或分形TiN结构、铂结构或SIROF。这样的结构是已知的，并且被描述为例如“黑铂”或“多孔铂”。电极的厚度可以从大约100nm到3μm变化。然而，也可以使电极厚度达到和/或高于10μm或低于100nm。
在如图1所示的实施例中，反电极18被设置为围绕像素并沿着像素周缘的轮廓(即在所示实施例中，沿着凹槽20)的细长电极。在替选实施例中，反电极还可以包括围绕像素10并围绕刺激电极14规则或任意分布的多个电极。特别地，这可以施加在电极阵列1的周缘部分处。
此外，在刺激电极14和对电极18之间布置电阻器16(也被称为分流电阻器)。根据本发明的图1所示的实施例，电阻器16与刺激电极14和对电极18电连接。如图1的实施例所示，通过在接近凹槽20'或在凹槽20'上的衬底的表面上布置电阻器16来建立两个二极管12、12'之间的连接。
另外参照图1，电阻器16与圆形刺激电极14连接。为了将电阻器16与刺激电极14连接，在电阻器接近刺激电极14的中心的第一端处设置第一电连接23。电阻器从连接点笔直的朝向对电极18径向地延伸。因此，在图1的实施例中，以笔直的方式在刺激区域所覆盖的区域中以及在衬底表面上的、没有被对电极18或刺激电极14所覆盖的区域中设置电阻器16。在像素结构10的周缘处，在对电极18的下方，电阻器16的形状遵循形成像素结构10的外轮廓的对电极18的六边形形状。这意味着，此处电阻器16具有成角度的形状以沿着对电极18的延长部分。
在图1的实施例中，在对电极18之下延伸的电阻器的长度大约是对电极18的整体长度的六分之一。然而，当与图1的实施例相比时，电阻器的、由对电极覆盖的一部分的长度可以较长或较短。特别地，电阻器的、由对电极覆盖的一部分可以具有达到或甚至超过对电极18的整体长度(即像素结构10的周长的长度)的任意长度。
可以通过材料(例如非晶硅或多晶硅)薄带的原子掺杂来设置电阻器16。可替选图1中所示的，电阻器可以是异相电阻器或分流电阻器，其包括第一材料的第一分流电阻器和不同于第一材料的第二材料的至少一个第二分流电阻器，第一分流电阻器和至少一个第二分流电阻器彼此串联或并联连接。第一材料可以是金属，例如形成金属层的金属，该金属层使光敏二极管彼此互相连接，并且使光敏二极管与电极互相连接。
因此，在图1所示的实施例中，对电极18围绕由二极管12、12'和刺激电极14覆盖的整个区域布置。其中，对电极18通过作为光敏二极管区域实施的衬底15的表面区域与刺激电极14相分离。同样地，电阻器16的、由对电极18覆盖的部分围绕像素结构10布置。然而，图1的该实施例中的电阻器仅部分地围绕像素结构布置。如以下所描述的，可以在图5和图6中看到其中电阻器基本完全围绕像素结构布置的本发明的实施例的示例。
电阻器16，在电阻器16的第二端处，通过第二电连接24与对电极18连接。应当注意，电阻器16的长度，例如确定或限定电阻器16的电阻的长度，是第一电连接23和第二电连接24之间沿着电阻器16的延伸方向的距离。作为一般规律，如上述等式(1)所限定的，电阻器16的电阻随着电阻器16的长度的增加而增加。
图2示出了电极阵列1的一部分的截面侧视图，其中示出了两个相邻像素10、10'。像素10、10'对应于根据图1所示的实施例的、具有两个二极管12、12'的像素。类似的，也可以基本上为单二极管或三二极管像素提供与图1所示的双二极管像素相同的层结构。此处，电阻器16设置在像素结构10的表面上。根据本发明的一些实施例，电阻器16是一种导体，诸如像素10的表面上的金属结构或导线。在一些实施例中，电阻器可以由硅制成或包含硅。硅可以是掺杂硅。特别地，硅可以是轻掺杂的。应当注意，电阻器可以显示各种类型的掺杂。如图2所示的实施例中，电阻器16是p-掺杂的。然而，根据实施例以及另外的掺杂方法、材料或其混合物，也可以应用p+掺杂、n-掺杂和n+掺杂。对于二极管12、12'、12”的掺杂同样如此。在图3中可以看到，像素阵列1设置在衬底15上。根据本发明的实施例，在图2的横截面图中也更加详细地显示出了电阻器在衬底15上的位置。如图2中可以看到，在所示的实施例中，电阻器16具有与凹槽20'的横向偏移。
图3示出了像素10的阵列，即像素阵列1。由于像素阵列1是包括被配置成刺激细胞或活组织的刺激电极14的像素10的阵列，因此该像素阵列也可以被称为电极阵列。在电极阵列1中，各个像素结构10的大小可以不同，且因此能够被调整以用于不同的应用。在图3所显示的阵列1中，各个像素10、10'成形为六边形，这允许在衬底15上有效地分布空间。以这种方式，可以增加并且理想地最大化衬底15上和阵列1内的可用于光敏区域的空间。
图4示出了根据本发明的实施例的像素10的示意性透视图。如图所示的像素10将反电极20展示为一种六边形细长电极。此处，刺激电极14是圆形电极。如果施加了电压，即当刺激电极14响应于入射光而产生了电脉冲时，产生图4中的电场线17所表示的电场。根据刺激脉冲的细节，例如脉冲形状、强度、持续时间、极性等，该电场的附近的细胞最终可以被刺激。可以以组织(即组织内的细胞)可以直接接触刺激电极14和/或对电极18的方式将电极14或电极阵列1放置在组织中。
如图4的示意图所示，图4的示意性像素结构10设置有串联连接的两个二极管12、12'。电阻器16(即分流电阻器)与二极管12、12'并联连接。以这种方式，可以建立具有可靠的电荷平衡和刺激参数的电路。
图5示出了与如图1所示的实施例相似的本发明的实施例。相同的附图标记表示相同或相似的部件，并且省略了重复的描述。图5的实施例与图2的实施例的不同之处在于，除了两个二极管12、12'之外还设置了第三二极管12”，并且电阻器16的长度更长，即电阻器16在对电极18之下几乎完全围绕像素结构10延伸。因此，图5例示了根据本发明的一种增加电阻器16的长度从而增加其电阻的方式。在不同的实施例中，电阻器16可以更短，例如具有仅部分地围绕像素结构10的一个或多个光敏区域延伸的长度。另外，二极管的数量可以低于或高于三个。特别地，在另一实施例中，一个二极管或两个二极管也可以设置有根据图5的实施例的电阻器16。电阻器16的电阻及其长度可以取决于光敏区域的大小(即二极管12、12'、12”的面积或大小)，和/或取决于设置在像素结构10上的刺激电极14的面积或大小。
在图5的实施例中，三个二极管12、12'、12”通过电连接22串联连接。如上已经指出的，替选配置是可能的。
图6例示了本发明的另一实施例。再次，相同的附图标记表示相同或相似的部件，并且省略了重复的描述。与根据图1的实施例相似，图6的实施例包括串联连接的两个二极管。如图5中已经示出的，电阻器16在对电极18之下几乎围绕整个像素结构10延伸。另外，在刺激电极14所覆盖的区域内，电阻器16被形成为螺旋形。在图6所示的实施例中，电阻器16绕圈两次，然后以笔直方式朝向对电极18延伸。通过使电阻器16在刺激电极14之下绕圈，可以增加电阻器16的长度，从而增加电阻器16的电阻。
应当理解，如图6所示，缠绕电阻器16的精确形状，特别是电阻器缠绕在刺激电极14之下的方式可以是两圈。替选地，可以增加或减少绕圈的圈数。另外，轮廓(此处为螺旋状绕圈)也可以是六边形、半圆或半螺旋或任何其他合适的形状，以增加电阻器从第一电连接23到刺激电极14的圆周或最终到电阻器16与对电极18的第二电连接24的长度。
根据图6的实施例表示了小型像素结构10的一个示例，其相应地需要高电阻的电阻器。因此，在图6所示的实施例中，以允许最大化长度同时所选择的结构尽可能小地影响二极管区域的方式来提供电阻器。

Claims (19)

1.一种光敏像素结构(10)，其包括衬底(15)和至少一个光敏二极管(12、12'、12”)、刺激电极(14)以及电阻器(16)，其中，所述电阻器(16)与所述刺激电极(14)和对电极(18)电连接，
其特征在于，所述电阻器(16)至少部分地被所述刺激电极(14)覆盖和/或所述电阻器(16)至少部分地被所述对电极(18)覆盖。
2.根据权利要求1所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，所述电阻器(16)是细长类型的。
3.根据权利要求1或2之一所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，所述电阻器(16)在由所述刺激电极(14)和/或所述对电极(18)覆盖的区域中设置有缠绕形状。
4.一种光敏像素结构(10)，其特征在于，所述衬底是硅衬底，优选是单晶硅衬底，特别是至少包括SiO2层的衬底。
5.根据前述权利要求之一所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，所述对电极(18)和/或所述电阻器(16)围绕所述刺激电极(14)占据的区域的至少一部分和/或围绕所述至少一个二极管(12、12'、12”)占据的区域来布置。
6.根据前述权利要求之一所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，所述电阻器(16)在所述像素结构(10)的、由所述对电极(18)覆盖的区域中平行于所述对电极(18)延伸。
7.根据前述权利要求之一所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，所述电阻器(16)具有非晶结构或多晶结构。
8.根据前述权利要求之一所述的光敏像素结构(10)，其中，所述对电极(18)围绕所述刺激电极(14)和/或围绕所述至少一个二极管(12、12'、12”)来布置。
9.一种光敏像素阵列(1)，其中，所述像素阵列(1)包括至少一个，优选多个根据权利要求1-8之一所述的光敏像素结构(10)，其中，多个像素结构(10)被布置成阵列。
10.根据权利要求9所述的光敏像素阵列(1)，其中，设置有中心对电极，所述中心对电极通过电阻器(16)与多个刺激电极中的每个连接。
11.一种具有根据前述权利要求之一所述的光敏像素阵列(1)的植入物。
12.根据权利要求11所述的植入物，其中，所述植入物是视网膜下植入物。
13.一种提供根据前述权利要求1-8之一所述的像素结构(10)的方法，包括以下步骤：
-提供衬底(15)，
-在所述衬底(15)上设置至少一个光敏二极管区域(12、12'、12”)，
-在所述衬底上，在没有被所述至少一个二极管(12,12')占据的区域中设置电阻器(16)，
-在所述衬底(15)上设置刺激电极(14)和/或对电极(18)，
其特征在于，所述刺激电极(14)和/或所述对电极(18)至少部分地覆盖所述电阻器(16)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述电阻器(16)被设置为直的、细长结构和/或至少部分设置为缠绕结构。
15.根据权利要求13或14之一所述的方法，其特征在于，所述电阻器通过对所述衬底(15)进行原子掺杂来设置。
16.根据权利要求13或14之一所述的方法，其特征在于，所述电阻器通过对从非晶硅和多晶硅中选择的材料的薄带进行原子掺杂来设置。
17.根据权利要求13或16之一所述的方法，其特征在于，所述电阻器通过形成第一材料的第一分流电阻器和不同于所述第一材料的第二材料的至少一个第二分流电阻器，并且将所述第一分流电阻器和所述至少一个第二分流电阻器串联连接来设置。
18.根据权利要求13或16之一所述的方法，其特征在于，所述电阻器通过形成第一材料的第一分流电阻器和不同于所述第一材料的第二材料的至少一个第二分流电阻器，并且将所述第一分流电阻器和所述至少一个第二分流电阻器并联连接来设置。
19.根据权利要求13或16之一所述的方法，其特征在于，至少所述第一材料是金属，特别是形成金属层的金属，所述金属层使所述光敏二极管(12、12'、12”)彼此互相连接，并且使所述光敏二极管(12、12'、12”)与所述电极(14、18)互相连接。
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