CN108025171A - 具有正面涂层的光敏像素结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括衬底层(15)和界面层(50)的光敏像素结构(10)，其中，界面层(50)至少部分地被设置在衬底层(15)的第一表面上，并且其中，界面层(50)至少部分地包括第一材料层(51)，并且界面层(50)至少部分地包括覆盖第一材料层(51)的第二材料层(52)，使得第一材料层(51)至少部分地被夹在第二材料层(52)和衬底(15)之间。本发明还涉及包括这种像素结构的阵列和植入物以及提供像素结构的方法，其中，第二材料层还具有从200nm‑600nm，优选从300nm‑500nm，最优选从320nm‑450nm选择的厚度。

Description

具有正面涂层的光敏像素结构
本发明涉及一种光敏像素结构以及具有这种像素结构的阵列和植入物。此外，本发明涉及一种提供光敏像素结构的方法。
植入系统是已知的，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。可以利用植入物至少在一定程度上恢复视力，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。这种系统通常包括放置在患者眼睛前方的特殊护目镜以及包括与活组织或细胞接触的多个电极的植入物，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。可以将该捕获的场景从视觉信息转变成预定的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残留细胞的电流。
为了这个目的，植入物包括一个或更多个像素阵列，其中，每个单独的像素结构通常包括一个或更多个二极管区域、刺激电极和可能的对电极。
如果光脉冲被引导到像素或更确切地说像素的光敏区域，该光脉冲的部分光子将在衬底中被吸收，并且由于光电效应，在衬底内产生电子-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，相对应的光电二极管电路可以在电极上产生电荷。因此，在衬底中吸收的光子越多，像素结构所产生的电荷就越多。光子的吸收或吸收率可能取决于入射光的波长、材料性质、入射区域(即光敏区域)和吸收衬底的厚度。为了增加入射光的吸收并从而最终增加像素结构中的电荷产生，可以例如增加衬底的厚度。然而，鉴于目标应用，衬底的厚度的增加并不总是所期望的或可能的。
Cogan等人(“Plasma-enhanced chemical vapor deposited silicon carbideas an implantable dielectric coating”，J Biomed Mater Res.2003年12月1日；67(3)：856-67)建议在衬底上设置厚的非晶碳化硅层。
Wang等人(“Photovoltaic retinal prosthesis for restoring sight to theblind:implant design and fabrication”，Proc.SPIE 8248，Micromachining andMicrofabrication Process Technology XVII，824805(2012年2月7日))建议使用在衬底上热生长的60nm二氧化硅层，连同70nm的附加氮化硅层，意在降低水-氮化硅界面处的反射率。
对于神经刺激，包含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(即像素结构在预定时间内每电磁脉冲(例如每光脉冲，特别是IR脉冲)每相传输的电荷)应该尽可能高，以便充分地刺激残留细胞。同时，为了最小的侵入性，植入物应被保持尽可能小，特别是尽可能薄。同样地，理想地，植入物的厚度小于100μm，理想地小于50μm，并且优选30μm或更小。薄的植入物还使得制作便利，特别是对于应该延伸穿过植入物的整个厚度的结构而言。
同样地，为了增加光敏阵列的分辨率，应该期望减小各个像素的尺寸(即每个像素为探测足够的光以产生电荷所需的表面积)。这可以适用于植入物以及其他光敏结构，例如照相机中、检测装置等中的光敏芯片。这要求植入物的光敏区域顶部上的任何层对入射光具有高透射率和低吸收率。
因此，本发明的目的是解决现有技术的问题中的至少一个。特别地，本发明的目的是提供一种改进的像素结构。期望的是，应该提高光通过像素结构的入射表面的透射。此外，目的可以是提供具有减小的尺寸的光敏像素结构。此外，本发明的目的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，利用具有根据独立权利要求1的像素结构、根据权利要求9的像素阵列、根据权利要求10的植入物和根据权利要求12的方法解决了该问题。有利的扩展见于从属权利要求。
根据本发明的一个方面，提供了一种光敏像素结构，其包括衬底层和界面层。界面层至少被设置在衬底层的前表面的一部分上。衬底的前表面也可以被描述为衬底的入射表面或第一表面。界面层至少部分地包括第一材料层，并且此外，界面层至少部分地包括覆盖第一材料层的第二材料层。第一材料层被第二材料层覆盖，使得第一材料层至少部分地被夹在第二材料层和衬底之间。因此，第二材料层是像素结构上的顶层。尤其，在包括刺激电极和/或返回电极(return electrode)的像素结构中，包括第一和/或第二材料层的界面层通常被设置在衬底上的、不被沉积在像素结构上的电极中的任何一个所占据的那些区域中。
此外，第二材料层的厚度在200nm和600nm之间。优选地，第二材料层的厚度在300nm到500nm之间。最优选地，第二材料层的厚度在320nm到450nm之间。第二材料层的这种厚度范围虽然允许增加涂层整体(即第一材料层和第二材料层的层叠)的透射率，但同时允许密封被第二材料层覆盖的那些区域。制造200nm到600nm范围内的第二材料层是更有利的，因为不可避免的制造公差仍然是可接受的。因此，本发明的发现允许自由地选择第一材料层的厚度并且允许调整第二材料层的厚度，以便优化衬底上材料层层叠的透射系数。
关于本发明，应该注意的是，术语“前”、“上”或“顶”指的是衬底的方向或位置，其指向像素结构上光入射的方向。
通过提供包括至少两个材料层(即第一材料层和第二材料层)的界面层，可以通过材料层中的一个(例如，第二材料层)为像素结构提供密封盖。同时，可以提供具有更高的透光特性的像素结构的涂层。以这种方式，在像素结构上在入射表面处入射的光更少地从像素结构反射，并且因此透射到光吸收衬底中。该层(即界面层)因此也可以被称为抗反涂层。根据本发明，提供了作为界面层的部分的附加的材料层(即第一材料层)，其可以通过减少表面复合来增强衬底内的电荷产生。因此，根据本发明，像素结构(即光电二极管)的效率可以通过增加光透射并且减少产生的电荷的表面复合而显著提高。
此外，像素结构或可以形成像素结构的外表面层的第二材料层，可以被提供为生物兼容层和/或抗腐蚀的并为像素结构提供密封的层。
本领域技术人员应该注意到，第一材料层也可以部分地被设置在衬底的入射表面上，特别是在可能发生电荷复合的那些位置处，即在像素结构上设置二极管的那些位置处。因此，第二材料层可以被设置在期望生物兼容涂层或密封或两者的像素结构的那些位置处。因此，第一材料层和第二材料层可以被一起设置或者至少部分地彼此分离地设置。
因此，第一材料层(即至少部分地覆盖衬底表面的材料层)可以是氧化物层，即可以包括氧化物，例如隐埋氧化物。该氧化物层可以优选包括SiO2或由SiO2组成，优选热生长的。有利地，这种氧化物层(例如SiO2层)还可以容易地在衬底上生长。可替选地，除了SiO2之外，还可以应用其他氧化物或材料层，使得衬底材料的氧化物允许避免电荷的表面复合。材料的选择可以取决于所使用的衬底材料。
在本发明的一些扩展中，第二材料层包括陶瓷或类陶瓷材料层。另外地或可替选地，第二材料层可以包括聚合物层。
这样的陶瓷或类陶瓷材料层和/或聚合物层可以提供像素结构的提高的生物兼容性和/或更好的密封性。因此，使得能够将这种像素结构用于植入物，例如刺激活组织或细胞(特别是神经组织或神经细胞)的植入物。
本发明上下文中的术语“类陶瓷”应指具有类似于陶瓷材料的已知性质(例如硬度、耐磨性、化学行为、热和电性能等)的材料，而不是技术上或化学意义上的陶瓷。
在本发明的一些实施例中，陶瓷或类陶瓷材料层可以包括碳化硅(SiC)、类金刚石碳、金刚石或铝或钛的氧化物，例如氧化铝和/或氧化钛。第二材料层还可以包括非晶材料，例如非晶SiC，也称为a-SiC。
此外，在本发明的一些实施例中，只要提供，聚合物层就可以包括硅树脂、聚对二甲苯、聚酰亚胺、聚氨酯和/或其他物质中的至少一种。
一种或多种材料的特定选择可以取决于应用的特定意图，同时在本发明的范围内也可以使用多于一种的材料。因此，根据本发明的像素结构可以通过对第一材料层和/或第二材料层及它们各自的部件的材料的相应选择来适于各种应用。
优选地，第一材料层(即氧化物层)比较薄，以便增加光通过材料层的透射率。特别地，第一材料层和第二材料层(因此整个界面层)对于预定波长的光应该是透光的。通常，应该被用于刺激神经组织(特别是眼睛的神经组织)的像素结构被设计为能够接收近红外波长的光，使得眼睛的任何残留视力都不会受到损害。因此，根据本发明，第一材料层(即氧化物层)对于预定波长或波长范围的红外光(尤其是近红外光)应该是透光的。同样地，第二材料层对于相对应波长的红外光(特别是近红外光)应该是透光的。
本发明中考虑的透射率或透射系数描述了具有不同折射率的两种介质(例如组织和第二材料层、第二材料层和第一材料层以及第一材料层和衬底)之间的入射表面上的光透射。在其中，以预定波长(诸如例如880nm)来施加光，并且光在相邻层之间的界面上垂直入射。
优选地，优化第一材料层和第二材料层的厚度，使得透射最大化。可以看出，由组织(例如视网膜)、SiC层、SiO2层和硅衬底层组成的典型叠层的透射率(即透射系数)随着第二材料层(即SiC层)厚度的增加而变化。在第一材料层的给定厚度处，透射率随着第二材料层厚度的增加而周期性地变化。优选地，氧化物层应当尽可能薄以获得最佳的透射率。此外，如将在下面讨论的，较薄的层可以允许提高材料的沉积厚度的精度，因为在绝对厚度变化方面，较薄的层目标厚度将引起较小的制造公差。根据优选实施例，第一材料层的厚度小于100nm。更优选地，第一材料层的厚度小于60nm。最优选地，第一材料层的厚度在10nm到60nm之间。
可替选地，可以示出，根据本发明的一些实施例，第一材料层的厚度也可以在200nm到400nm之间。优选地，在这些实施例中，第一材料层的厚度在250nm到350nm之间。最优选地，在这些实施例中，第一材料层的厚度大约为300nm。
如已经指出的，材料叠层(即视网膜和硅衬底之间的第一材料层和第二材料层)的绝对透射率取决于第二材料层的厚度，其继而可能取决于第一材料层的厚度。
假设880nm的入射光的波长，提供了本发明实施例的上述优选值。对于不同波长的入射光，在各个值相对于如上所述的优选值可能稍微变化的情况下，可以期望类似的结论和结果。一般地，入射光的波长优选地选自800到1000nm，优选地选自830nm到915nm，更优选地选自850nm到900nm。
在替选实施例中，特别是在密封性不成问题或密封性降低的涂层是可接受的实施例中，第二材料层的厚度可以在大约50nm到300nm的范围内变化，特别是在150nm到260nm之间变化。
类似地，第二材料层的厚度也可以在600nm以上。这种超过600nm的相对厚的第二层结构可以为像素结构提供更高的稳定性。
对于关于层厚度的上述考虑，必须考虑到，通常，对于第二材料层的产生，薄膜沉积的制造约束产生高达+/-10％(最好为+/-5％)的内外沉积的厚度变化。这意味着第二材料层(例如SiC层)的厚度通常能够精确在+/-10％，并且最好为+/-5％。类似地，对于第一材料层(例如SiO2)，通常可以实现+/-5％的厚度变化。因此，在制造过程中，可能必须满足由于这种制造公差导致的厚度变化方面的折中。考虑到像素结构或像素阵列内的这些变化，为了能够提供具有相当特性的像素结构，试图提供使得透射尽可能接近局部最大值的层厚度。以这种方式，当各层的变化的厚度的变化率小到最接近局部最大值时，厚度的变化对透射有最小的影响。
至少针对第一材料层是SiO2并且第二材料层包括SiC的那些实施例，本发明的发明人还能够针对第一材料层的预定厚度确定叠层结构的透射率变化的近似周期。在这些情况下，最大透射系数被确定为大约出现在第二材料层上的每个170nm的附加材料处。
本发明的发明人还能够示出，对于更大的第一材料层的厚度，与更薄的第一材料层厚度相比，最大透射系数的位置随着第二材料层的厚度更显著地变化。
这意味着对于每个第一材料厚度，可以确定理想的第二材料厚度。反之亦然，这意味着对于所期望的第二材料层厚度，例如为了提供足够的密封性，可以确定适当的第一材料厚度。
根据本发明的一个方面，可以提供一种光敏像素结构，其包括至少在衬底的后表面(或第二表面)的一部分上的至少一个附加材料层，其中该附加材料层包括反射层。应该注意，反射层也可以是衬底的整体部分，例如通过在衬底本身的表面上掺杂或热生长结构。反射层或整个附加材料层也可以被设置为衬底的表面上的分离层，例如通过本领域已知的方法(例如电化学沉积、真空沉积或其他方法)来沉积。
应该理解，在这些实施例的环境下，可以改变(并且特别是增加)透射过衬底并且入射到衬底与第一材料层(即衬底的后表面)之间的界面上的光的反射率的任何材料可以被认为是“反射材料”或“反射层”。这样的反射率层的反射率值可以单独与衬底材料固有的反射率进行比较。这种适合用作附加材料层中的反射材料的材料例如可以包括铝、钛、铂和/或钯或其合金，例如钛镍合金(也称为镍钛诺)或其他。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)，其也可以提供适用于植入物的密封和/或生物兼容特性。为了获得这样的特性，各个层的厚度可能必须改变(例如增加)以提供密封涂层。
如上所述，“前表面”应该描述入射光被施加到其上或穿过其的表面，然后入射光从衬底的外部透射入衬底中。相应地，“后表面”是衬底或任何相应层的表面，其与“前表面”相比位于衬底的相对侧上。因此，衬底的“后表面”表征入射到前表面上并且透射过衬底的光从衬底内入射到其上的表面。
通过提供反射层或反射结构，例如在衬底内或在衬底的后表面上的层状结构，在光从衬底的前表面透射过衬底时没有被吸收的部分可以至少部分地被反射回到衬底中。以这种方式，可以吸收衬底的前表面上原始入射光的更多的部分。因此，像素结构可以产生更多的电荷，同时总体上不增厚或可忽略地增厚衬底或整体像素结构。
应该理解，在设计这种具有材料叠层的后表面材料层或用于这样的一个或多个材料层的特定制造工艺方面存在各种选择，这些选择也被认为在本发明的范围内。
根据本发明的另一方面，提供了一种光敏像素阵列，其包括至少一个、优选多个根据本发明第一方面的像素结构。在该像素阵列中，多个像素结构被布置成阵列，以便从而形成像素阵列。
本领域技术人员应该注意，由于根据本发明的改进，例如通过增加衬底的入射表面上的透射率，更多的光可以被透射到衬底中并且因此可以用于像素结构的光敏区域中的电荷产生。以这种方式，在不降低像素结构在电荷产生方面的效率的情况下，也可以减小像素结构的尺寸。因此，可以减小单独像素结构的尺寸，并且对于给定的区域，可以增加例如像素阵列内的单独像素结构的数量。这可以允许提高像素阵列或具有像素阵列的植入物的分辨率。在像素结构包括适合于电刺激组织(例如神经组织)或细胞的电极的情况下，可以增加单独可刺激的组织区域或甚至单独细胞的数量。这可以允许增加这种像素阵列对患者的益处。
根据本发明的第三方面，提供了一种植入物，其具有根据本发明第二方面的光敏像素阵列或者具有至少一个根据本发明第一方面的光敏像素结构。根据本发明的一些有利的扩展，这种植入物可以特别是视网膜下植入物。
提供包括根据本发明上述方面的像素结构和/或像素阵列的植入物，可以允许分化刺激特定神经组织或细胞。尽管根据本发明的植入物的优选实施例是视网膜植入物，但是根据本发明的思想也适用于各种不同种类的组织，例如耳(特别是内耳)内的神经组织、或诸如心肌等的肌肉细胞、或者，一般地，神经组织，例如脊柱或其他神经纤维或神经索中的神经组织。
根据本发明的第四方面，提出一种提供根据本发明第一方面的像素结构的方法。该方法包括提供衬底和至少在衬底的前表面的一部分上设置界面层的步骤。衬底的第一表面上的界面层至少部分地包括第一材料层和第二材料层。提供第二材料层使得其至少部分地覆盖第一材料层，使得第一材料层被夹在第二材料层和衬底之间。
在该方面，提供第一材料层，以便通过降低衬底中产生的电荷的表面复合率来提高光电二极管的效率。相反，第二材料层可用作密封涂层并提供生物兼容性，当在待植入到身体内的植入物内使用像素结构时，生物兼容性是必需的。在本发明的一些实施例中，第一材料层是氧化物层，例如隐埋氧化物层，优选SiO2层。根据所提出的方法的扩展，通过热生长将该层沉积在衬底上。
根据所提出的方法的进一步的实施例，第二材料层是陶瓷层或类陶瓷层，其通过等离子增强化学气相沉积来沉积。
除了已经指出的方法以外，用于提供根据本发明的层结构的方法还可以包括离子沉积、电化学沉积、物理气相沉积(例如溅射和电子束蒸发)或其他方法。
提供根据本发明的像素结构或用于植入物的像素阵列的方法还可以包括在衬底上设置至少一个光敏二极管和/或刺激电极的步骤。尤其，可以通过原子掺杂或与已知的(例如)半导体生产工艺类似的工艺来提供光敏二极管。
本发明利用了抗反涂层性能由折射率和不同层的厚度决定这一事实。因此，层厚度的特定选择允许在层界面处使用光的相长干涉和相消干涉，以增加衬底的表面上的叠层的透射率。
参照附图在以下描述中将发现本发明的进一步的细节、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示出了以下结构的示意性横截面：(a)在视网膜层下设置的公共衬底；(b)视网膜层下的根据本发明实施例的光敏像素结构，其界面层被示出；以及(c)视网膜层下的根据本发明实施例的光敏像素结构，其各个界面层被示出；以及(d)视网膜层下的根据本发明实施例的光敏像素结构，其各个界面层被示出；
图5示出了针对第一层材料的各种厚度，取决于根据本发明实施例的像素结构的前表面上的第二材料层的厚度的、通过材料叠层的透射系数的示图；
图6示出了针对第一层材料的各种厚度，取决于根据本发明另一实施例的像素结构的前表面上的第二材料层的厚度的、通过材料叠层的透射系数的示图。
图1示出了例示的光敏像素结构10。根据所示实施例的光敏像素结构10(在下文中也被称为像素)包括两个光敏二极管12、12'、中心电极14和电阻器16。在像素结构10的外周设置有对电极18，该对电极也经常称为返回电极。对电极18能够布置在每个单独像素结构10上，例如，如图1所示，布置在每个像素结构10的外周处。这意味着，返回电极是局部的，并且位于像素结构的阵列1的不同中心电极之间。这通常也称为“双极”配置。
对于这种双极布置，两种配置是可能的。返回电极可以彼此断开。这意味着，在这种情况下的像素是彼此完全独立的。替选地，各个像素结构的全部返回电极或返回电极组或像素结构组可以连接在一起，以便有效地建立一种网格状结构。该结构可以，例如包括可以在整个像素阵列1之上延伸的多个六边形像素。在图3中示出这种像素阵列的示例。
作为另一替选方式，中心返回电极(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该像素结构的位置处。特别地，这种中心返回电极可以被设置在植入物或像素阵列上的远端位置处。这种配置也可以被称为单极配置。应当注意，在该实施例中，返回电极不一定处于植入物的几何中心。此外，多个这样的中心返回电极可以分布在植入物或像素阵列之上，每个返回电极连接到多个像素。应该理解，本发明可以适用于这些配置中的任何一种。
图1的实施例中的像素结构10具有大致对称的六边形形状。六边形形状是由沟槽20所限定的，沟槽20围绕像素结构布置并且使像素结构与相邻结构电绝缘。可以与图1中所示实施例的该六边形的每侧相邻地设置其他像素10'。在图3中示出了像素10的像素阵列1的实施例的示例，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。
各个像素通过沟槽20彼此分离。沟槽20包括电绝缘材料。各个相邻像素10、10'优选地彼此电绝缘。如图1的实施例中所示的对电极18沿着围绕像素10的有效区域的外周的沟槽20的延长部分布置，由此具有同样的(此处为六边形)轮廓。图2示出了像素结构10'与相邻布置的像素结构10'的横截面。
根据图1的实施例的两个二极管12、12'被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'之间设置绝缘沟槽20'。二极管12、12'之间的绝缘沟槽20'大致具有与绝缘沟槽20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，尽管沟槽20'布置在像素内(即光敏元件的衬底15中)，但仍然可以建立由沟槽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，通过电接触22来连接二极管12、12'。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'的沟槽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。由于不必设置沟槽20'来分离像素10内的各个二极管，因此这会允许增加像素的光敏区域。在另外的实施例中，可以在一个像素中设置三个二极管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，如上述已经针对双二极管像素结构所讨论的。
如可以在图1中进一步看到的，在像素结构10的中心设置了电极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，例如与反映像素10的轮廓的沟槽20或返回电极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，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，优选地，适于刺激神经组织，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，诸如多孔或不规则的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或高于10μm或低于100nm。
在如图1所示的实施例中，返回电极18被设置为围绕像素并且沿着像素外周的轮廓(即在所示实施例中，沟槽20的走向)的细长电极。在替选实施例中，返回电极还可以包括以规则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。特别地，这可以施加在电极阵列的外周部分处。
此外，在刺激电极14和对电极18之间布置有电阻器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。
如上所述，如果作为对接收到的光信号的响应，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。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。另一方面，二极管数量的增加意味着每个像素的每个二极管可能收集更少的光。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因此可以显著地降低。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。因此，这是一个选择问题：对于单个应用来说，哪个参数(即电流或电压)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个体情况，可能是年龄、疾病状态以及一般生理状况。
为了提高产生的电流，因此对于各个二极管，期望增加衬底中的光吸收。图2示出了电极阵列1的部分的截面侧视图，示出了两个相邻像素10、10'。像素10、10'与根据图1所示的实施例的像素结构中的像素相对应，具有两个二极管12、12'。类似地，对于单二极管或三二极管像素，也可以大体上设置与图1所示的双二极管像素相同的层结构。
另外，在图2中示出了设置在衬底的第一表面(即衬底的外表面上)上的界面层50，来自外部光源的光入射到该第一表面上。设置界面层50，以便降低像素结构10的表面的反射率。界面层50包括设置在衬底15的第一表面上的第一材料层51。
第一材料层51被设置为与衬底15的前表面相邻并且在衬底15的前表面之后。例如，第一材料层51可以包括隐埋氧化物层，特别是SiO2层。隐埋氧化物层可以热生长在衬底15上。特别地，衬底可以包括硅。
通常，衬底可以适于吸收红外光，优选近红外范围的红外光。具体地，衬底可以被配置为吸收约780至1000nm范围内的红外光，特别是约830至915nm之间的波长的光，优选880nm波长的光。作为衬底的替选材料，也可以使用锗。因此，第一材料层51包括这样的材料和/或被设置在衬底上，以使得第一材料层51对于可以被衬底15吸收的波长的光是透明的。
关于本发明和描述，应该注意的是，术语“前”、“上”或“顶”指的是衬底的方向或位置，其指向像素结构上的光入射方向，根据图2，其是如所示的图2的上部分。
在根据图2的实施例中，与第一材料层51相邻的第二材料层52被设置在第一材料层51背离衬底15的表面上。因此，第二材料层52是相应像素结构10、10'的外部上表面。第二材料层52可以例如包括SiC或另一种陶瓷或类陶瓷的材料。如图2所示，第二材料层52可以被设置在整个像素结构10的顶上，除了其中设置有电极14、18或电极14、18的至少一部分或要与(例如)周围组织接触的那些区域。
应该理解，为了更好地描述像素结构10的特性，使用“层”的定义，特别是对于第一材料层51。然而，由于用于产生根据本发明的像素结构10的方法，诸如衬底15、第一材料层51或第二材料层52的各个层可以被集成到另一个中。因此，相应产生的像素结构实际上可能看起来不像层结构或者可能看起来没有显示可分离的层，然而，在功能上，本文实际提供了例如根据本发明的实施例的层。
因此，第一材料层51和/或第二材料层52可以形成为衬底15的整体部分，如在图2所示的实施例的情况下，其中衬底15和第一材料层51通过对衬底的层的热氧化而一起生长。可选地，第一材料层51当然可以是沉积在衬底15上的层。
图3示出了像素结构10、10'的阵列，即像素阵列1。在图3所示的实施例中，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组织的刺激电极14。因此，像素阵列1也可以称为电极阵列。在没有脱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上的有效的空间分布。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。如图3中所示的像素阵列1可以例如用于植入物中以便刺激细胞或组织，特别是活组织，例如神经组织或神经细胞。
根据本发明的实施例，在图3中不可见，第一和/或第二材料层可以形成在阵列的整个前表面(即由各个像素结构的多个前表面建立的表面)上。此外，可以如图2所示，可以在阵列1的至少一个边缘周围形成第一和/或第二材料层，以便为阵列1提供密封和/或保护。
图4(a)示出了嵌入在生物组织(在此例如是视网膜3)下的像素阵列1的示意性横截面。由衬底15表示像素阵列1，其中，图中没有显示任何表面结构，例如二极管或电极。
通常，当将像素阵列1或植入物植入视网膜3中或视网膜3下时，将衬底15布置成使得由图4(a)中的箭头40表示的、入射到眼睛上的入射光可以穿过视网膜并且入射到衬底15的前表面上。光透过衬底15的前表面，并且进入且穿过衬底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被吸收。通常使用的衬底15由硅组成或包括硅。如果将衬底15用于植入物中以恢复视力，则对包括衬底15的像素结构10的刺激优选处于光谱的红外或近红外区域，使得视网膜的残余视力不受干扰。
在视网膜3和衬底15之间的界面处，一小部分光被反射，如图4(a)中的箭头44所示。入射光的折射部分可能不被衬底吸收，并且因此由于光电转换而损失。由图4(a)中的箭头43表示的入射光的另一部分透过衬底15的表面，并且可以在衬底中被吸收以便在衬底内产生电荷，或者更确切地说，在像素结构10的二极管区域中产生电荷。
图4(b)示出了表示根据本发明的像素结构10的衬底15，其中界面层50设置在组织(这里是视网膜3)和衬底15之间。根据本发明的界面层被设置在衬底15的前表面上，以降低衬底15的表面的反射率，即增加衬底15的表面的透射系数。如示意地显示的，通过设置根据本发明的合适的界面层50，从入射表面反射的光的部分被减少，并且透过界面并进入衬底15中的光的部分被增加。
图4(c)示出了图4(b)的实施例，其中界面层50被显示为材料叠层。第一材料层51设置在衬底15的前表面上。第二材料层52设置在第一材料层51上，由此形成根据图4(c)中所示实施例的像素结构10的外层。当根据本发明的优选实施例调整第一材料层51和第二材料层52的厚度时，可以最大化光的透射部分。以这种方式，可以增强像素结构的效率，并且因此增加像素阵列或整个植入物的效率。
图4(d)示出了图4(c)的实施例，根据该实施例，第一材料层30设置在衬底15的后表面上。此外，第二材料层32设置在第一材料层30上。第一材料层30至少包括反射材料层，其提高衬底的后表面处的反射率。第二材料层32允许进一步提高衬底15的后表面处的反射率。因此，吸收率进一步提高。从而，如图40中的箭头41所示，最初透过衬底15而未被吸收的光的更多部分可以被反射回衬底15中。因此，由于光电反应而损失的光更少(由箭头42所示)。在光学透射方面，第二材料层32可以是允许密封的材料。这种材料可以例如是钛。通过选择这种材料，可以进一步提高后表面处的反射率，同时，在通过像素结构10或整个像素区域1或植入物的后表面的光学透射方面，像素结构10或整个像素区域1或植入物可以被光学密封。此外，提供密封覆盖层、涂层或外壳的材料可以是陶瓷层，例如氧化铝、碳化硅等。应该提到的是，代替第一材料层30和第二材料层32，可以仅有一个材料层30或32位于衬底15的后表面上。
在图5的示图中示出了可以对第一材料层51和第二材料层52的厚度进行调整的区间的示例。其中，SiO2层分别以10nm、40nm、70nm、100nm和130nm的各种厚度被设置为第一材料层。从图5中能够看出，如图中横坐标轴所绘制的，针对入射到视网膜和材料叠层上的光的透射系数随着第二材料层(此处为SiC层)的厚度而变化。
在图6的示图中显示了第一材料层的增加厚度的层的示例。针对图5的示图，示出了第二材料层52(此处为SiC层)的厚度与以百分比表示的入射到视网膜上以及包括SiC层、SiO2层和Si的衬底层的材料叠层上的光的透射系数的关系。示出了厚度为250nm、275nm、300nm、325nm和350nm的第一材料层(这里是SiO2)。
尤其，在这两种情况下，通过该材料叠层的至少局部最大透射大约全部以170nm的频率周期性出现。因此，即使针对第二材料层的厚度的特定间隔讨论优选实施例，但本发明旨在覆盖第一和/或第二材料层的厚度的全部可能范围。

Claims (15)

1.一种包括衬底层(15)和界面层(50)的光敏像素结构(10)，其中，所述界面层(50)至少设置在所述衬底层(15)的前表面的一部分上，并且其中，所述界面层(50)至少部分地包括第一材料层(51)，并且所述界面层(50)至少部分地包括覆盖所述第一材料层(51)的第二材料层(52)，使得所述第一材料层(51)至少部分地被夹在所述第二材料层(52)和所述衬底(15)之间，其中，所述第二材料层(52)的厚度为200nm-600nm，优选为300nm-500nm，最优选为320nm-450nm。
2.根据权利要求1所述的光敏像素结构(10)，其中，所述第一材料层(51)是氧化物层，优选是包含SiO2的层。
3.根据权利要求1或2中的一项所述的光敏像素结构(10)，其中，所述第二材料层(52)包括陶瓷或类陶瓷材料层，和/或所述第二材料层(52)包括聚合物层。
4.根据权利要求3所述的光敏像素结构(10)，其中，所述陶瓷或类陶瓷材料层包括SiC、类金刚石、金刚石、氧化铝和/或氧化钛中的至少一种。
5.根据权利要求3或4中的一项所述的光敏像素结构(10)，其中，所述聚合物层包括硅树脂、聚对二甲苯、聚酰亚胺和/或聚氨酯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，所述第一材料层(51)的厚度小于100nm，优选小于60nm，最优选在10nm与60nm之间。
7.根据权利要求1所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，所述第一材料层(51)的厚度在200nm-400nm之间，优选在250nm-350nm之间，并且最优选地，所述第一材料层(51)的厚度约为300nm。
8.根据权利要求1所述的光敏像素结构(10)，其特征在于，至少在所述衬底(15)的后表面的一部分上设置至少一个附加材料层，其中，所述附加材料层包括反射层。
9.一种光敏像素阵列(1)，包括至少一个、优选多个根据权利要求1-8中一项所述的像素结构(10)，其中，所述像素结构(10)被布置成像素阵列。
10.一种具有根据权利要求9所述的光敏像素阵列(1)的植入物。
11.根据权利要求10所述的植入物，其中，所述植入物是视网膜下植入物。
12.一种用于提供根据权利要求1-8中一项所述的像素结构(10)的方法，包括步骤：
-提供衬底(15)，
-至少在所述衬底(15)的前表面的一部分上设置界面层(50)，并且其中，所述界面层(50)至少部分地包括第一材料层(51)并且所述界面层(50)至少部分地包括覆盖所述第一材料层(51)的第二材料层(52)，使得所述第一材料层(51)被夹在所述第二材料层(52)和所述衬底(15)之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一材料层(51)是通过热生长沉积的氧化物层，优选SiO2层。
14.根据权利要求12或13中一项所述的方法，其中，所述第二材料层(52)是通过等离子增强化学气相沉积来沉积的陶瓷层或类陶瓷层。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，其中，所述方法包括在所述衬底(15)上设置至少一个光敏二极管(12、12')和/或刺激电极(14)的步骤。
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