CN107667432B - 具有提高的光吸收的光敏像素结构以及光敏植入物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光敏像素结构(10)，包括具有前表面和后表面的衬底(15)，其中，在衬底(15)的表面中的一个上设置有至少一个光敏二极管(12、12’)。第一材料层(30)至少部分地设置在衬底(15)的后表面上，其中，第一材料层(30)包括反射层，以便于提高衬底的后表面处的反射率。此外，本发明涉及包括这样的光敏像素结构(10)的阵列(1)和植入物，以及产生像素结构(10)的方法。

Description

具有提高的光吸收的光敏像素结构以及光敏植入物
本发明涉及光敏像素结构以及具有这种像素结构的光敏植入物。
植入系统是已知的，其有助于恢复例如由于诸如色素性视网膜炎等退行性疾病而失明的患者的至少一部分视力。可以利用植入物至少在一定程度上使视力恢复，这利用了这样的事实：尽管视网膜的一部分已经退化，但视网膜的大部分仍是完整的并且仍然可以被光相关的电刺激直接刺激。这样的电刺激能够通过植入系统来提供。这种系统通常包括：特殊的护目镜，其可以设置在患者眼前；以及植入物，特别是视网膜下植入物，其包括与活体组织或细胞接触的多个电极。
在护目镜中，通常提供有摄像头。该摄像头用于捕获患者前方的场景。可以将该被捕获的场景从视觉信息转变成预定的IR光脉冲信号。在这样的情况下，植入物适于接收这些IR光脉冲，并且作为响应，基于由摄像头接收的场景内容来刺激植入物上的光敏区域。植入物随后将接收的光转换成可以刺激视网膜中的残留细胞的电流。
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、刺激电极以及可能地包括对电极。
如果光脉冲被导向像素或更确切地说被导向像素的光敏区域，则该光脉冲的一部分光子将在衬底中被吸收，并且在衬底内通过光电效应生成电子-空穴对。这些电子-空穴对迁移到像素结构的相应电极，并且响应于此，由相对应的光电二极管电路在电极上生成电荷。因此，在衬底中吸收的光子越多，由像素结构生成的电荷就越多。对光子的吸收或吸收率可以取决于入射光的波长、材料特性、入射区域(即，感光区域)、以及吸收衬底的厚度。为了提高对入射光的吸收，并且由此最终提高像素结构中的电荷生成，可以增加衬底的厚度。然而，并不总是期望增加衬底的厚度。
例如，对于神经刺激而言，包括这样的光敏像素结构或阵列的植入物是已知的。在这样的植入物中，为了可靠地刺激残留细胞，电流密度，即在预定的时间内每电磁脉冲(例如每光脉冲，特别是IR脉冲)每相传送的电荷，应该尽可能高以便于充分刺激残留细胞。同时，植入物应该保持尽可能的小以产生最少的侵入性。由此，理想地，植入物具有小于100μm的厚度，更理想地，小于50μm，并且优选地为30μm或更小。薄的植入物还使得制作便利，尤其对于要延伸通过植入物的整个厚度的结构而言。
类似地，为了提高光敏阵列的分辨率，期望降低各个电极的大小(即，每个像素为检测到足够的光以用于生成电荷所需的表面积)。这可以适用于植入物以及其他光敏结构，例如，摄像机、检测设备等中的光敏芯片。
因此，本发明的一个目标是解决现有技术中的问题中的至少一个。特别地，本发明的目标是提供改进的像素结构。期望的是，要提高对入射光的吸收。此外，目标还可以是提供具有减小的大小的光敏像素结构。此外，本发明的目标还可以是提供具有提高的分辨率的像素阵列或植入物。
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10的像素阵列、根据权利要求11的植入物以及根据权利要求13的方法，解决了该问题。有利的改进见于从属权利要求。
根据本发明的一个方面，提供了一种光敏像素结构，其包括具有前表面和后表面的衬底。在衬底的表面中的一个上设置有至少一个光敏二极管或光敏区域。此外，第一材料层至少部分地设置在衬底的后表面上，其中，第一材料层包括反射层。应该认识到，该反射层还可以是衬底的整体的一部分，例如，通过在衬底本身的表面上进行涂料或热生长结构。反射层或第一材料层还可以被设置为衬底表面上的例如通过根据现有技术已知的诸如电化学沉积、真空沉积等方法来沉积的单独的层。
应该理解的是，在本发明的上下文中，可以改变(特别地，增加)被传送通过衬底并且入射到衬底和第一材料层之间的界面(即，衬底的后表面)上的光的折射率的任何材料都可以被考虑用作“反射材料”或“反射层”。可以将这种反射层的反射率值与单独的衬底材料的固有反射率相比较。应该注意的是，本文提供的反射率值指的是正入射(即，入射角度垂直于相应表面)的反射率。这种适合用作第一材料层中的反射材料的材料可以例如包括铝、钛、铂、和/或钯、或其合金，例如，钛镍合金(也称为镍钛诺)等。可以提供提高的反射率的其他材料可以是陶瓷层，例如，氧化铝、碳化硅等，这些材料也可以提供密封和/或适于植入的生物兼容特性。为了获得这样的特性，可能需要改变(例如，增加)相应层的厚度，以便于提供密封涂层。
所描述的“前表面”是要在其上施加入射光或入射光穿过的表面，该入射光于是从衬底的外部透射到衬底中。相应地，“后表面”是与“前表面”相比在衬底的相对侧上的衬底表面或任何相应层的表面。因此，衬底的“后表面”表示在前表面上入射并且透射到衬底的光从衬底内入射到的表面。
通过提供反射层或反射结构，例如，衬底内或衬底的后表面上的层状结构，在从衬底的前表面透射通过衬底时没有被吸收的光的一部分可以至少部分地被反射回衬底中。这样，衬底的前表面上的初始入射光的更多部分可以被吸收。由此，像素结构可以生成更多的电荷，同时整体上不加厚或极小地加厚衬底或像素结构。
根据本发明的改进，光敏像素结构的衬底可以包括适于吸收预定波长或预定波长范围、或各种预定波长或波长范围的光的材料。特别地，衬底可以包括硅。特别地，衬底可以适于吸收红外光，优选近红外范围的红外光，特别是约780到1000nm范围(特别地，波长在约830到915nm)的红外光。可以使用锗作为衬底的替代材料。
应该认识到，对特定波长的光的吸收可以是材料(例如，硅)的固有特性。
衬底的后表面上的反射层(即材料层的反射层)可以包括埋氧化物(buriedoxide，BOX)层。优选地，该埋氧化物层可以是SiO2。然而，其还可以是一般被称为绝缘体上硅(SOI)的不同类型。BOX层可以是有利的，因为在制造期间，当衬底被薄化或磨削(edge)到其极限厚度时，该层可以充当磨削停止层。此外，因为在Si/SiO2界面上，少数载流子的复合减少，因此通常从顶部硅层或衬底热生长的BOX层可以提高光电二极管的效率。还可以通过沉积方法来提供BOX层。此外，反射层可以包括铝层或钛层。同样，这些层可以是单独的层或者可以在生产期间被整合到衬底中。
在本发明的一些实施例中，第一材料层包括埋氧化物(优选为SiO2)层以及铝层。在这样的实施例中，埋氧化物层可以被夹在衬底和铝层之间。通过结合BOX层和铝层，可以提高其上设置有材料层的衬底后表面的反射率，甚至提高到高于各个材料层之和的反射率。
实验表明，仅由硅限定的后表面的反射率约为21％。此外，实验结果能够表明，通过提供钛层，后表面的反射率可以在20-22％，并且通过提供BOX层使得后表面的反射率值在16％到21％。然而，需要注意的是，通过提供钛层，已经为像素结构提供了具有生物兼容的密封涂层。BOX层本身可以被容易地制造并且可以提高光电二极管效率。由此，即使提供不会立即提高衬底的后表面的反射率的额外材料层，也可以提供本发明范围内的优点。
通过单独将铝层设置成衬底的后表面上的第一材料层(即此处的反射层)，衬底的后表面的反射率可以被提高到约64％。虽然在没有任何其他密封或生物兼容涂层的情况下，单独的铝层可能不会立即适于植入物结构，但是根据本发明的一些实施例，可以提供诸如光检测器、用于摄像机等的光敏芯片等的光敏结构。本发明因此不受限于光敏植入物。
根据本发明的其他实施例，至少在第一材料层的背对衬底的表面上设置第二材料层。该第二材料层可以密封地覆盖至少第一材料层和/或衬底的后表面。第二材料层的材料特性通常可以与上文针对第一材料层所阐述的相同。
在特定的实施例中，第二材料层可以是钛层。该钛层可以被设置在由铝或BOX组成的材料层的表面上。这样，可以结合各层的优点。由此，BOX层和钛层的组合可以提供衬底后表面上的反射率高达73％、密封且生物兼容的像素结构。
在本发明的具体实施例中，设置BOX层和铝层，其中BOX层夹在衬底和铝层之间。该埋氧化物层可以优选地由SiO2构成或者至少包括SiO2。这样的实施例允许衬底的后表面的反射率提高到92.5％。钛层可以被设置为第一材料层的一部分或设置为第二材料层。
第二材料层因此可以包括钛和/或其他材料(特别是金属)或由钛和/或所述其他材料构成。这可以允许对至少像素结构的后表面进行密封和/或进一步提高衬底的后表面处的反射率。在一些实施例中，可以在第一和/或第二材料层中设置多层材料，例如多个钛层。因此，第二材料层可以例如包括彼此相继沉积的两个钛层。
在本发明的一些实施例中，第一和/或第二材料层包括钛，其中，钛层的厚度不小于100nm，优选地，厚度大于200nm，并且最优选地，厚度为500nm或可能更大。被有利地设置为像素结构的最外层的这种钛层可以提供密封，并且同时可以提供生物兼容的覆盖物。这样，使得能够在例如身体的高腐蚀性区域(比如，眼睛的玻璃体)中的可植入像素阵列中使用根据本发明的像素结构。
注意到，钛层的厚度越大，表面或整个结构的密封性就越高。这样，可以提供充分的密封性并且这样的实施例中的钛堆叠层具有足够的厚度来使衬底的后表面处的反射率最大化。
在根据本发明的一些实施例中，当铝层被用作第二材料层或第一材料层的额外层时，优选地，该铝层的厚度大于50nm，更优选地，厚度大于60nm。特别地，铝层的厚度可以被选择为100nm或以上。
有利地，第一材料层优选地包括埋氧化物层。该埋氧化物层的厚度可以适于所使用的其他材料的特性和/或厚度。由此，在钛和埋氧化物层的堆叠被用作第一材料层的情况下，优选地，埋氧化物层的厚度约为65nm到210nm的范围。在铝和埋氧化物层的堆叠被用作第一材料层的情况下，优选地，埋氧化物层的厚度约为90nm到170nm的范围。最优选地，埋氧化物层的厚度为约130nm或430nm或130nm加上300nm的任何倍数。
通过根据在第一和/或第二材料层中使用的其他材料来改变埋氧化物层的厚度，可以提高并且理想地最大化衬底的后表面上的一个或多个材料层的反射率。
同样地，应该注意到，埋氧化物层的层厚度可以如上文指出的，在优选的130nm、430nm、或130nm加上300nm的任何倍数附近变化。第一材料层的反射率随衬底的后表面上的埋氧化物层的厚度的变化周期性地变化。该变化的周期约为300nm。为了理想地最大化反射率，应该尽可能地接近目标值，该目标值例如是在约130nm的埋氧化物层厚度处的第一反射率峰值。
然而，由于制造工艺，将埋氧化物层的厚度控制在反射率峰值附近的狭窄窗口内是具有挑战性的。因此，第一材料层的堆叠中的与埋氧化物层相邻的材料是有利的，其随埋氧化物层的厚度变化，产生优选的平坦的斜率。由此，与钛相比，更优选使用铝作为第一材料层中的与埋氧化物层相邻的反射层。在该情况下，在衬底的后表面上入射的辐射光的最大反射率约为92.5％。在约65nm到210nm的埋氧化物层厚度范围中，埋氧化物层和铝的堆叠的反射率等于或高于最大反射率的95％。因此，在这种配置中，在衬底的后侧，可以反射入射光的约90％或以上。
相比之下，在埋氧化物层与钛的堆叠中，这样的埋氧化物层/钛堆叠的最大反射率约为在衬底的后表面上入射的辐射光的72％。如果反射率应该是最大反射率的至少95％或以上，则埋氧化物层的厚度可以在约90到170nm的范围内变化。该厚度范围比埋氧化物/铝堆叠的情况下的厚度范围更窄，因此要求更好地控制生产参数。在这种配置中，入射光的约70％或以上在衬底的后侧被反射。注意到，上文提供的示例中的反射率值涉及光在表面上的90°的入射角度，即正入射的反射率。
本发明的优选实施例包括作为第一材料层的BOX层和钛层。这样，提供了具有提高的反射率的像素结构，同时，由生物兼容的涂层密封。最优选地，在BOX层和钛层之间，设置铝层。这允许更大地提高衬底的后表面处的反射率，同时，同样地，通过包括钛的第二材料层来提供密封且生物兼容的涂层。
如果不期望密封性，则可以仅将BOX层与铝层堆叠。这允许衬底的后表面处的提高的反射率，这可以在诸如摄像机芯片、传感器或其他检测元件等的应用中有利地部署。
根据本发明的另一方面，提供了一种像素阵列，其中，该像素阵列包括根据本发明的第一方面的多个光敏像素结构，其中，像素结构被布置成阵列。通过提供像素阵列，多个单独的、光敏像素阵列可以互连。这样，可以由互连的像素结构接收或收集的信息可能会增加。
根据本发明的再一方面，提供了一种植入物，其包括光敏像素阵列或至少一个光敏像素结构。由于根据本发明的优选实施例的光敏像素结构包括适于刺激活体组织或细胞的电极，因此该植入物也包括至少一个刺激电极。该电极可以适于提供通过光电发生而生成的电刺激脉冲。为此，一个或多个电极可以连接到相应的一个或多个像素结构的光敏区域，即二极管。响应于在像素结构上入射的光，可以在像素结构中生成电荷，并且最终在与像素结构相关联的电极上生成电荷。
在有利的实施例中，设置与第一材料层相邻的第二材料层。
优选地，在第二材料层和第一材料层之间布置有粘合层，该粘合层的厚度优选为5nm至50nm，更优选地，10nm至30nm，最优选为约20nm+/-5nm，并且其优选地由钛形成。
通过提供光敏像素阵列或像素结构，植入物由此成为光敏植入物，其在被植入时，可以提供电刺激或能量供应。特别地，光敏植入物可以提供对活体组织的电刺激，所述活体组织例如是由相应电极接触的或者位于相应电极附近的神经组织或细胞。特别地，该植入物(例如视网膜植入物)可以允许对组织(特别是患者眼睛的视网膜组织)进行引起视觉感应的电刺激。这样，植入物能够至少部分地恢复患者视力。
在优选的实施例中，植入物是视网膜下植入物。这允许在患者的眼睛内(例如，视网膜下)植入植入物，以便于避开视网膜中的任何受损组织。因此，可以在更接近视网膜中的仍起作用的敏感神经细胞处生成电刺激。
根据本发明的又一方面，一种提供根据本发明的各方面中的一个的像素结构、以及最终的像素阵列或植入物的方法，包括：提供衬底，其作为第一步骤。该衬底适于吸收光。优选地，该衬底适于吸收至少一个预定波长的光。特别地，该波长可以来自近红外区域，例如，780nm以上的波长。该衬底还可以适于吸收多个预定波长或一个或更多个预定波长范围的光。在进一步的步骤中，在衬底上，优选地在衬底的前表面上，提供至少一个光敏二极管区域。光敏二极管阵列适于响应于像素结构的衬底中的光吸收来生成电荷。此外，在可以在上文指出的各步骤之后或之前的一个步骤中，在衬底的后表面上设置第一材料层。该第一材料层至少包括反射材料层，其适于将通过衬底传送到第一材料层的光朝着衬底反射回去。
取决于具体应用，要由像素结构吸收的入射光的波长还可以来自可见光、紫外光或远红外光区域。然而，对于植入物方面的应用，来自如上文所阐述的近红外光的波长是更优选的。
在本发明的一些实施例中，通过离子注入来提供第一材料层和/或从衬底热生长第一材料层。特别地，可以从衬底层热生长埋氧化物层。这可以通过降低少数载流子的表面复合来提高与衬底相关联的光电二极管的效率。
至少在第一材料层的背对衬底的表面上设置第二材料层。特别地，该第二层可以是用于改进或提供对该表面的密封的层。由此，可以仅在第一材料层的背对衬底的表面上设置第二材料层。然而，该第二材料层还可以至少部分地包围衬底的其他部分，例如衬底或整个像素结构的侧面部分或边缘和/或顶面。特别地，在提供像素阵列的情况下，第二材料层可以至少部分地包围像素结构或者可以包围整个像素结构。
参照附图，从以下说明中，将得到本发明的优选实施例和优点。
图1是根据本发明的一个实施例的具有电极的光敏像素的示例；
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剖面图；
图3显示了根据本发明的实施例的电极阵列；
图4示出了以下示意性剖面图：(a)嵌入在视网膜中的衬底，(b)根据本发明的实施例的嵌入在视网膜中的光敏像素结构，(c)根据本发明的另一个实施例的嵌入在视网膜中的光敏像素结构和(d)根据本发明的又一个实施例的嵌入在视网膜中的光敏像素结构；以及
图5示出了表示反射系数与根据本发明的实施例的像素结构后表面上的埋氧化物层的厚度的关系的图表。
图1示出了示例性的光敏像素结构10。该光敏像素结构10在下文中也被称为像素，其包括两个光敏二极管12、12’，中心电极14以及电阻16。在像素结构10的外围设置有对电极18，其也经常被称为返回电极。能够在每个独立的像素结构10上设置对电极18，例如，如图1所示的，在每个像素结构10的外围上设置。这意味着，返回电极是局部的并且介于像素结构的阵列1的不同中心电极之间。这通常也被称为“双极”配置。
对于这样的双极布置，有两种配置是可行的。返回电极可以彼此断开。这意味着，这种情况下，像素是彼此完全独立的。可替代地，各个像素结构的全部或多组返回电极或多组像素结构可以连接在一起，以便于有效地建立一种网格状结构。这样的结构可以例如包括可以遍布整个像素阵列的多个六边形像素。图3中示出了这样的像素阵列的示例。
作为另一替代方案，中心返回电极(未示出)可以与像素结构10相分离地设置，例如，设置在像素阵列上的远离该像素结构的位置处。特别地，可以在植入物的远端位置提供这样的中心返回电极。这种配置也可以被称为单极配置。应该注意，返回电极不一定要在植入物的几何中心处。此外，可能的是，多个这样的中心返回电极分布在植入物或像素阵列上。应该理解，本发明适用于这些配置中的任一个。
图1的实施例中的像素结构10具有大体对称的六边形状。该六边形状由布置在像素结构周围并且将像素结构与相邻结构电隔离的沟槽20限定。可以与示出的实施例中的六边形的每侧相邻地设置其他像素10’。图3示出了像素10的像素阵列1(在本发明的上下文中，也称为电极阵列)的实施例的示例。在可替代的实施例中，各个像素的形状也可能不同。例如，像素可能是八边形或矩形。在不脱离本发明的保护范围的情况下，像素还可以是圆形或菱形或任何其他形状，甚至任意形状。
各个像素通过沟槽20彼此分离。沟槽20包括电隔离材料。各个相邻像素10、10’优选地彼此电隔离。在图1的实施例中示出的对电极18沿着围绕像素10的有效区域外围的沟槽20的延伸部分布置，由此具有相同的轮廓，这里为六边形轮廓。图2中示出了像素结构10’与相邻的像素结构10’的剖面图。
根据图1的实施例的两个二极管12、12’内接地布置在六边形的像素区域内。优选地，二极管12、12’对称地布置。在二极管12、12’之间，设置隔离沟槽20’。二极管12、12’之间的隔离沟槽20’一般具有与隔离沟槽20相同的特性。由此，像素10的不同的二极管12、12’基本上彼此电隔离。应该理解，尽管像素内(即，在光敏元件的衬底15中)布置有沟槽20’，但仍然可以在被沟槽20、20’分开并隔离的对象之间建立电接触。例如，在根据图1的实施例中，二极管12、12’由电触头22连接。如将参照图4更加详细地描述的，以这种方式，在根据图1的实施例中，二极管12、12’可以相对彼此串联地连接。
在根据图1的实施例的投影图中，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)围绕像素10的对称轴大体对称。在图1的实施例中，这样的对称轴例如可以与将像素10的二极管12、12’分开的沟槽20’一致。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。这将允许增加像素的光敏区域，因为不必设置沟槽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或三个以上的二极管。如果在像素10中设置了两个以上的二极管，则各个二极管也可以彼此串联连接，如上文已经针对两个二极管的像素结构讨论的那样。
从图1中还可以看出，在像素结构10的中心，设置了电极14。由于其中心位置，电极14也被称为中心电极。此外，由于该电极通常用于刺激，该电极也被称为刺激电极。示出的实施例中的刺激电极14被设置为圆形。该电极还可以具有不同的形状，例如，与返回电极18或反映像素10的轮廓的沟槽20的形状类似的形状。选择当前示出的实施例中的圆形，以使得来自刺激电极14的电场可以是均匀的。取决于所期望的应用，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要适于刺激周围组织，优选地，适于刺激神经组织，特别是活体视网膜的神经组织。通常，电极包括铂、铱氧化物和/或钛氧化物。可替代地，可以将铱、铂铱合金、掺杂的金刚石或类金刚石或PEDOT:PSS、或其他已知的材料用作电极材料。特别地，电极材料的优选结构可以是高孔隙度的结构、例如多孔或不规则TiN、铂结构或SIROF。这样的结构是已知的并且可能例如被描述为“黑铂”或“多孔铂”。电极的厚度可以在100nm到3μm变化。然而，电极厚度也可能高达10μm或以上、或在100nm以下。
在图1示出的实施例中，返回电极18被设置为环绕像素并且沿着像素外围轮廓(即，在示出的实施例中，沟槽20的走向)的细长电极。在可替代的实施例中，返回电极还可以包括按常规或任意分布的方式围绕像素结构10并且围绕刺激电极14分布的多个电极。这可以特别地施加在电极阵列1的外围部分处。
此外，在刺激电极14和对电极18之间，还布置有电阻16，其也被称为分流电阻。根据本发明的图1中所示的实施例的电阻16电连接到刺激电极14并且连接到对电极18。
如上文指出的，如果响应于接收到的光信号需要增加电压，则可以在一个像素10内设置多个二极管，例如两个或三个二极管。对于这样的情况，二极管可以串联连接，其中数量为N个的二极管的电压比仅由一个二极管产生的电压高出N倍。另一方面，数量增多的二极管表示每个像素的每个二极管可能收集到更少的光。因此，与仅有一个或几个二极管相比，在具有多个二极管时，由串联连接的那些二极管中的每个二极管产生的电流明显更低。通常，具有N个二极管的电路中的电流是具有一个二极管的电路中的电流的1/N。因此，这是一个选择的问题：对于特定的应用，哪个参数(即，电流或电压)是更合乎期望的。在神经刺激的特定情况下，所需的刺激参数可以取决于要刺激的组织和/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各个特征，所述特征可能是年龄、疾病状态以及整体生理状况。
由此，为了提高生成的电流，期望提高衬底中的光吸收。图2示出了电极阵列1的一部分的截面侧视图，示出了两个相邻的像素10、10’。像素10、10’与根据图1中示出的实施例的像素结构中的像素相对应，具有两个电极12、12’。类似地，对于一个二极管或三个二极管像素，大体上也可以设置图1中针对两个二极管像素示出的同样的层结构。
此外，在图2中示出了第一材料层30。在图2中示出的实施例的情况中，材料层30可以被形成为衬底15的整体的一部分。可替代地，第一材料层可以至少部分地是衬底15的整体的一部分，或者可以是沉积在衬底15上的层。
第一材料层30被设置为与衬底15的后表面相邻或在该后表面之后。例如，第一材料层30可以包括埋氧化物层，特别是SiO2层。埋氧化物层可以热生长在衬底15上。衬底层优选地包括硅。此外，第一材料层30可以是堆叠层，其包括埋氧化物层后的金属层，例如，铝层或钛层。
在根据图2的实施例中，在第一材料层30的背对衬底15的表面上设置与第一材料层30相邻的第二材料层32。第二材料层32可以包括金属，例如，铝或钛，或金属堆叠。优选地，至少衬底15的后表面上的像素结构10的最外层(即，第二材料层32的最外层)包括能够对衬底15的后表面、或对衬底后表面以及像素结构的侧面部分的至少一部分进行密封的材料。这样，如在图2中所见的，像素结构的边缘可以被密封，并且像素结构可以被保护不受由于环境影响所导致的腐蚀或腐烂。在应设置如图3所示的整个像素阵列1的情况下，或者应该设置植入物的情况下，可以在像素阵列1的最外层、边缘和/或侧面部分提供密封。
应该理解的是，使用定义“层”(特别是针对第一材料层30)是为了更好地描述像素结构10的特征。然而，由于被用来产生根据本发明的像素结构10的方法，各层(例如，衬底15、第一材料层30或第二材料层32)可以整合到彼此中。用于提供根据本发明的层结构的方法例如可以包括热生长、离子沉积、电化学沉积、诸如溅射和电子束蒸发等的物理气相沉积、或其他方法。因此，相应产生的像素结构可能看起来不具有层状外观，或者不显示出可分离的层，然而，从功能上说，其中实际提供了层，例如，根据本发明的实施例的层。根据特定的实施例，至少两个“层”能够由一个粘合层33分离。优选地，所述粘合层33可以具有5nm到50nm的厚度，更优选地，10nm到30nm的厚度，最优选地，约20nm+/-5nm的厚度。粘合层33可以由具有好的粘合特性的钛形成。优选地，当第一材料层30包括在衬底15表面上热生成的埋氧化物层时，层15和30之间没有粘合层33。
图3示出了像素结构10、10’的阵列，即，阵列1。在图3示出的实施例中，像素阵列1是像素结构10、10’的阵列，其中，像素结构10、10’中的每个包括被配置为刺激细胞或活体组织的刺激电极14。因此，像素阵列1也可以被称为电极阵列。在不偏离本发明的范围的情况下，阵列1中的各个像素结构10、10’的尺寸可以不同并且由此可以被调至适于不同的应用。在图3显示的阵列1中，各个像素10、10’形成为六边形，这允许衬底15上的空间有效的分布。这样，可以增加，并且理想地，最大化衬底15上的以及阵列1内的光敏区域的可用空间。图3中示出的像素阵列1例如可以用于植入物中，以便于刺激细胞或活体组织，特别是诸如神经组织、或神经细胞等的活体组织。
根据本发明的实施例，可以围绕阵列的后表面(即由各像素结构的多个后表面构成的表面)形成第一和/或第二材料层(未在图3中示出)。此外，可以围绕阵列1的边缘形成第一和/或第二材料层，以便于提供对该阵列的封装或保护。
图4(a)示出了嵌入在组织中(例如，在本文中，嵌入到视网膜3中)的像素阵列1的示意性剖面图。像素阵列1由衬底15表示，其中，该图中没有显示任何表面结构，例如二极管或电极。
通常，在将像素阵列1或植入物植入到视网膜3中时，对衬底进行布置以使得由图4(a)中的箭头40表示的入射到眼睛上的光可以穿过视网膜并且入射到衬底15的前表面。光从衬底15的前表面进入并且穿过衬底15，取决于衬底15的材料、入射光的波长、以及其他因素，光在衬底15处被吸收。通常使用的衬底15包括硅或由硅构成。
对于典型的30μm厚度的硅衬底以及波长为830nm波长的入射光，约85％的入射光被吸收。在880nm的波长处，68％的入射光被吸收，而在915nm的波长处，仅约53％的入射光被吸收。如果要在植入物中使用衬底以便于恢复视力，则包括衬底15的像素结构10的刺激需要在光谱的红外或近红外区域，以使得视网膜的残留视力不受到干扰。没有在衬底15中被吸收的光入射在衬底15的后表面上。在衬底15的后表面处，由于固有的材料特性和反射规律，约21％的光被反射回衬底(未在图4(a)中示出)，同时，如图4(a)中的箭头42所指示的，大部分的光离开了衬底15并且损失掉。
如在图4(b)中显示的，根据本发明的实施例，在衬底15的后表面上设置与衬底15相邻的第一材料层30。该第一材料层30可以是材料的堆叠。第一材料层30至少包括提高衬底后表面处的反射率的反射材料层。由此，可以将最初被传送通过衬底15而没有被吸收的光中的更大比例的光反射回衬底15，如图4(b)中的箭头41所指示的。因此，用于光电反应的光损失得更少。
图4(c)示出了本发明的进一步的实施例，根据该实施例，设置与第一材料层30相邻的第二材料层32。这种第二材料层32允许衬底15的后表面处的反射率进一步增加。这可以进一步增加吸收率。第二材料层32可以是允许密封的材料，例如钛。由此，可以增加后表面处的反射率，而同时，能够实现像素结构10或整个像素阵列1的密封性。用于提供密封覆盖层、涂层或外壳的其他材料可以是陶瓷层，例如氧化铝、碳化硅等。
图4(d)显示了本发明的另一实施例，根据该实施例，与图4(c)的实施例类似地，设置与第一材料层30相邻的第二材料层32。同样地，第二材料层32可以允许进一步提高衬底15的后表面处的反射率。第一材料层30可以由二氧化硅形成，而第二材料层32可以由铝形成，具有100nm或更大的厚度，或者可以由铝和钛的堆叠形成，每层具有100nm或更大的厚度。在铝(或铝和钛)第二材料层32与二氧化硅第一材料层30之间，布置有粘合层33，优选地，其具有5nm到50nm的厚度，更优选地，具有10nm到30nm的厚度，最优选地，20nm+/-5nm的厚度。粘合层33可以由具有良好粘合特性的钛形成。
图5示出了表示反射系数相对于堆叠的第一材料的埋氧化物层的厚度的曲线图，第一材料包括埋氧化物层和铝层(上方的曲线)或者包括埋氧化物层和钛层(下方的曲线)。注意到，在130nm、430nm或130nm加上300nm的倍数的埋氧化物层厚度处及其附近，BOX/Al堆叠的反射率显著超过了BOX/Ti堆叠的反射率。此外，在优选的130nm、430nm或130nm加上300nm的倍数的厚度范围中，BOX/Al堆叠的曲线的斜率比BOX/Ti堆叠的曲线的斜率更平坦。
图5中显示的曲线基于对包括由硅构成的衬底、由SiO2与铝或钛堆叠的第一材料层30、以及后面的视网膜层3的仿真结果。该仿真的折射率被假定为，在880nm的波长处，Si为3.66、SiO2为1.4525、铝为2.58+8.21、钛为3.06+3.305、视网膜组织为1.36。尽管这些数据表示本发明的特定实施例，但对不同的波长或材料特性，也可以得到相似或相同的结论，特别是对于BOX厚度。这些示例不应该被解释为将本发明的范围限制到特定示例。事实上，在本发明的范围内，可以应用具有不同材料、材料厚度、层数、反射率等的各种实施方式。
还应该理解，根据本发明，BOX层的厚度可以被改变为高于或低于所指出的130nm、430nm、或130nm加300nm的倍数附近的优选厚度。

Claims (31)

1.一种光敏像素结构(10)，包括具有前表面和后表面的衬底(15)，其中，在所述衬底(15)的所述表面中的一个上设置有至少一个光敏二极管(12、12’)，
其特征在于，第一材料层(30)至少部分地设置在所述衬底(15)的所述后表面上，其中，所述第一材料层(30)包括埋氧化物层，所述埋氧化物层的厚度与其余材料的材料特性相适应，并且其中，在钛和埋氧化物层的堆叠被用作第一材料层(30)的情况下，所述埋氧化物层的厚度的范围为65nm到210nm或365nm到510nm或665nm到810nm。
2.根据权利要求1所述的光敏像素结构(10)，其中，所述衬底(15)包括适于吸收预定波长或波长范围的光的材料。
3.根据权利要求1或2所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，所述第一材料层(30)还包括金属层。
4.根据权利要求3所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，所述第一材料层(30)形成为所述衬底(15)的整体的一部分。
5.根据权利要求1或2所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，所述第一材料层(30)包括埋氧化物层，以及铝层，其中，所述埋氧化物层被夹在所述衬底(15)和所述铝层之间。
6.根据权利要求1或2所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，至少在所述第一材料层(30)的背对所述衬底(15)的表面上设置第二材料层(32)，所述第二材料层(32)密封地覆盖至少所述第一材料层(30)和/或所述衬底(15)的所述后表面。
7.根据权利要求6所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，所述第二材料层包括钛和/或陶瓷层，或者由钛和/或陶瓷层组成。
8.根据权利要求7所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，所述第一和/或第二材料层(30、32)包括钛，并且钛层的厚度不小于100nm。
9.根据权利要求2所述的光敏像素结构(10)，其中，所述材料是硅。
10.根据权利要求3所述的光敏像素结构(10)，其中，所述埋氧化物层为SiO2层。
11.根据权利要求3所述的光敏像素结构(10)，其中，所述金属层为铝层或钛层。
12.根据权利要求5所述的光敏像素结构(10)，其中，所述埋氧化物层为SiO2层。
13.根据权利要求7所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，所述第一和/或第二材料层(30、32)包括钛，并且钛层的厚度大于200nm。
14.根据权利要求7所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，所述第一和/或第二材料层(30、32)包括钛，并且钛层的厚度大于或等于500nm。
15.根据权利要求1或2所述的光敏像素结构(10)，其中，所述埋氧化物层的厚度是130nm或430nm或130nm加上300nm的任何倍数。
16.一种光敏像素阵列(1)，包括多个根据权利要求1至15中任一项所述的光敏像素结构，其中，所述多个光敏像素结构被布置在阵列中。
17.一种光敏像素阵列(1)，包括多个根据权利要求1至15中任一项所述的光敏像素结构，其中，设置与所述第一材料层(30)相邻的第二材料层(32)。
18.一种光敏像素阵列(1)，包括多个根据权利要求1至15中所述的光敏像素结构，其中，在第二材料层(32)与所述第一材料层(30)之间布置有粘合层(33)，所述粘合层(33)的厚度为5nm至50nm。
19.根据权利要求18所述的光敏像素阵列(1)，其中，所述粘合层(33)由钛形成。
20.一种光敏像素阵列(1)，包括多个根据权利要求1至15中所述的光敏像素结构，其中，在第二材料层(32)与所述第一材料层(30)之间布置有粘合层(33)，所述粘合层(33)的厚度为10nm至30nm。
21.根据权利要求20所述的光敏像素阵列(1)，其中，所述粘合层(33)由钛形成。
22.一种光敏像素阵列(1)，包括多个根据权利要求1至15中所述的光敏像素结构，其中，在第二材料层(32)与所述第一材料层(30)之间布置有粘合层(33)，所述粘合层(33)的厚度为20nm+/-5nm。
23.根据权利要求22所述的光敏像素阵列(1)，其中，所述粘合层(33)由钛形成。
24.一种植入物，具有根据权利要求1至15中任一项所述的光敏像素结构(10)或者具有根据权利要求16所述的光敏像素阵列(1)，其中，所述植入物还包括至少一个电极(14)，所述至少一个电极(14)适于提供电刺激脉冲，所述电刺激脉冲是通过在所述光敏像素结构(10)或光敏像素阵列(1)中的光电发生而生成的。
25.根据权利要求24所述的植入物，其中，所述植入物是视网膜植入物。
26.根据权利要求24所述的植入物，其中，所述植入物是视网膜下植入物。
27.一种用于提供根据权利要求1至15中任一项中所述的光敏像素结构(10)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-提供适于吸收至少一个预定波长的光的衬底(15)，
-在所述衬底(15)上设置光敏二极管(12、12’)，
-在所述衬底(15)上设置第一材料层(30)，所述第一材料层(30)至少包括反射材料层，所述反射材料层适于将通过所述衬底(15)传送到所述第一材料层(30)的光朝着所述衬底(15)反射回去。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，通过离子注入来提供所述第一材料层(30)和/或从所述衬底(15)热生长出所述第一材料层(30)。
29.根据权利要求27或28所述的方法，其特征在于，至少在所述第一材料层(30)的背对所述衬底(15)的表面上设置第二材料层(32)。
30.根据权利要求27所述的方法，其中，在所述衬底(15)的前表面上设置所述光敏二极管(12、12’)。
31.根据权利要求27所述的方法，其中，在所述衬底(15)的后表面上设置所述第一材料层(30)。
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