CN108063145B - 高光电转换效率和低暗电流的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

示例实施方式涉及一种配置为实现高光电转换效率和低暗电流的图像传感器。该图像传感器包括：第一电极和第二电极、提供在第一电极与第二电极之间的多个光探测层、以及提供在光探测层之间的夹层。光探测层将入射光转换成电信号并包括半导体材料。夹层包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料。

Description

高光电转换效率和低暗电流的图像传感器
技术领域
示例实施方式涉及图像传感器和/或涉及配置为实现高光电转换效率和/或低暗电流的图像传感器。
背景技术
图像传感器通常指用于将光学图像转换成电信号的光电器件，并且被用在例如照相机、动作识别照相机、触摸面板、光探测和测距(LiDAR)系统、以及三维(3D)传感器的各种各样的领域中。目前，正在开发可容易地生产并且高可靠的硅基互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
当在低光度下或者在LiDAR系统或3D传感器中使用时，图像传感器可以探测小的光信号。照此，能够实现高光电转换效率的图像传感器是有益的。
发明内容
示例实施方式涉及能够既实现高光电转换效率又实现低暗电流的图像传感器。
额外的示例实施方式将在以下描述中被部分地阐述且部分将自该描述明显或者可以通过示例实施方式的实践而被了解。
根据一示例实施方式，一种图像传感器包括：彼此间隔开的第一电极和第二电极，提供在第一电极与第二电极之间用于将入射光转换成电信号并包括半导体材料的多个光探测层，以及提供在光探测层之间并包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料的夹层。
夹层可以在基本上垂直于该夹层的方向上具有与基本上平行于该夹层的方向上的电导率相比更低的电导率。光电流可以由于入射光而在光探测层与夹层之间产生。
夹层可以包括WTe2或具有至少一个层的石墨烯。夹层可以具有约0.05nm到约10cm的厚度。例如，夹层可以具有约0.1nm到约100μm的厚度。
光探测层可以包括例如硅(Si)、过渡金属二硫族化合物(TMDC)、量子点和有机半导体材料中的至少一种。TMDC可以包括例如诸如钼(Mo)、钨(W)、铌(Nb)、钒(V)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、锝(Tc)、铼(Re)和铜(Cu)的一种过渡金属、以及诸如硫(S)、硒(Se)和碲(Te)的一种硫族元素。
第一电极和第二电极中的至少一个可以是透明电极。透明电极可以包括例如透明导电氧化物(TCO)或石墨烯。
光电转换效率和暗电流可以通过控制光探测层和夹层中的至少一个的费米能级而被调节。或者，光电转换效率和暗电流可以通过控制夹层的厚度以及光探测层和夹层中的至少一个的掺杂密度而被调节。
根据一示例实施方式，一种图像传感器包括：基板，与基板间隔开并提供在基板上方的第一电极，提供在第一电极与基板之间用于将入射光转换成电信号并包括半导体材料的多个光探测层，以及提供在光探测层之间并包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料的夹层。
基板可以包括导电基板。导电基板可以包括例如硅基板。
图像传感器还可以包括提供在基板与基板上方所提供的光探测层之间的绝缘层。在这种情况下，基板与基板上方所提供的光探测层可以通过提供在绝缘层中的通路孔而彼此电连接。
图像传感器还可以包括提供在绝缘层与绝缘层上方所提供的光探测层之间的第二电极。
基板可以包括绝缘基板。在这种情况下，图像传感器还可以包括提供在基板上的第二电极。
夹层在垂直于该夹层的方向上具有与平行于该夹层的方向上的电导率相比更低的电导率。夹层可以包括例如WTe2或具有至少一个层的石墨烯。夹层可以具有例如约0.05nm到约10cm的厚度。
光探测层可以包括例如硅(Si)、过渡金属二硫族化合物(TMDC)、量子点和有机半导体材料中的至少一种。
第一电极可以是透明电极。透明电极可以包括例如透明导电氧化物(TCO)或石墨烯。
示例实施方式涉及一种图像传感器，其包括：由多个光探测层隔开的第一电极和第二电极，所述多个光探测层中的一个或更多个包括半导体材料；以及在光探测层之间的夹层，夹层具有电导率各向异性。
附图说明
这些和/或另外的示例实施方式将由以下结合附图的对实施方式的描述变得明显且更易理解，附图中：
图1是根据一示例实施方式的图像传感器的剖视图；
图2A是具有一般结构的图像传感器的剖视图；
图2B是根据一示例实施方式的图像传感器的剖视图；
图3是对比地示出图2A和2B中所示的图像传感器的暗电流和光电转换效率的曲线图。
图4A和4B是示出基于根据一示例实施方式的图像传感器中的夹层的厚度变化的暗电流和光电转换效率的曲线图；
图5是根据另一示例实施方式的图像传感器的剖视图；
图6是根据另一示例实施方式的彩色图像传感器的剖视图；
图7是根据另一示例实施方式的图像传感器的透视图；
图8是图7中所示的图像传感器的剖视图；
图9是根据另一示例实施方式的图像传感器的透视图；
图10是图9中所示的图像传感器的剖视图；
图11是根据另一示例实施方式的图像传感器的剖视图；
图12A和12B示出根据至少一个示例实施方式的探测生物特征区域(biometricregion)的方法的一示例；
图13是示出根据一些示例实施方式的包括光学相位阵列(OPA)的光探测和测距(LiDAR)系统的配置的图；
图14是图13的LiDAR系统的透视图；以及
图15是示出根据至少一个示例实施方式的深度图像测量系统的示意性配置的图。
具体实施方式
现在将详细参照其示例在附图中示出的示例实施方式，其中相同的附图标记始终指相同的元件。在这方面，示例实施方式可以具有不同的形式，并且不应被解释为限于的此所阐明的描述。因此，下面仅通过参照图来描述示例实施方式。诸如“中的至少一个”的表述当在一列元素之后时，修饰整列元素，而不修饰该列中的个别元素。
当术语“大约”或“基本上”在本说明书中结合数值使用时，意思是相关的数值包括围绕所述及的数值±10％的公差。此外，当本说明书中提及百分数时，意思指这些百分数是基于重量的，即重量百分数。表述“多达”包括零到所表述的上限的量以及其间的所有值。当范围被指定时，该范围包括其间的所有值，诸如0.1％的增量。此外，当词语“大体上”和“基本上”结合几何形状使用时，意思是不要求所述几何形状的准确性，而是对该形状的偏离在本公开的范围内。虽然实施方式的管状元件可以是圆柱形的，但是其它管状剖面形式也就预料中的，诸如正方形、矩形、椭圆形、三角形等等。
图1是根据一示例实施方式的图像传感器100的剖视图。
参照图1，图像传感器100包括彼此间隔开的第一电极111和第二电极112、提供在第一电极111与第二电极112之间的第一光探测层121和第二光探测层122、以及提供在第一光探测层121与第二光探测层122之间的夹层130。
第一电极111和第二电极112可以分别是例如上电极和下电极。第一电极111和第二电极112中的至少一个可以是透明电极。例如，当外部光入射到用作上电极的第一电极111上时，第一电极111可以是透明电极。在这种情况下，第二电极112可以是金属电极。然而，第二电极112不限于此，并且也可以像第一电极111那样是透明电极。
透明电极可以包括例如透明导电氧化物(TCO)或石墨烯。这里，TCO可以包括从例如铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、ZnO、SnO2、锑掺杂的锡氧化物(ATO)、铝掺杂的锌氧化物(AZO)、镓掺杂的锌氧化物(GZO)、TiO2和氟掺杂的锡氧化物(FTO)中选择的至少一种材料。然而，TCO不限于此。石墨烯可以具有单层或多层结构。金属电极可以包括从由例如铝(Al)、铜(Cu)、钛(Ti)、金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)和铬(Cr)组成的组中选择的至少一种材料。然而，金属电极不限于此。
当外部光入射到用作下电极的第二电极112上时，第二电极112可以是透明电极并且第一电极111可以是金属电极。然而，第一电极111不限于此，并且也可以像第二电极112那样是透明电极。
第一光探测层121和第二光探测层122在第一电极111与第二电极112之间一个堆叠在另一个上。第一光探测层121被提供在第一电极111的底表面上，第二光探测层122被提供在第二电极112的顶表面上。
第一光探测层121和第二光探测层122将入射光转换成电信号，并且可以包括半导体材料。这里，第一光探测层121和第二光探测层122可以将某种颜色的光转换成电信号。例如，第一光探测层121和第二光探测层122可以取决于半导体材料而将红色光、绿色光和蓝色光中的一种转换成电信号。然而，第一光探测层121和第二光探测层122不限于此，并且可以将各种其它颜色的光转换成电信号。
第一光探测层121和第二光探测层122的半导体材料可以包括例如硅(Si)、过渡金属二硫族化合物(TMDC)、量子点和有机半导体材料中的至少一种，但不限于此。
TMDC指具有二维(2D)晶体结构的半导体材料。TMDC可以包括在钼(Mo)、钨(W)、铌(Nb)、钒(V)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、锝(Tc)、铼(Re)和铜(Cu)当中选择的一种过渡金属以及在硫(S)、硒(Se)和碲(Te)当中选择的一种硫族元素。例如，TMDC可以包括MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、HfSe2、NbSe2、ReSe2或CuS。然而，上述材料仅是示例，并且TMDC可以包括另外的材料。
第一光探测层121和第二光探测层122的半导体材料可以掺以p型掺杂剂或n型掺杂剂用于调节光电流或暗电流。p型掺杂剂或n型掺杂剂可以使用例如离子注入或化学掺杂被掺杂。
p型掺杂剂的源可以包括例如诸如NO2BF4、NOBF4或NO2SbF6的离子液体、诸如HCl、H3PO4、CH3COOH、H2SO4或HNO3的酸性化合物、或诸如二氯二氰基苯醌(DDQ)、过硫酸氢钾复合盐(oxone)、二肉豆蔻酰磷脂酰肌醇(DMPI)或三氟甲磺酰亚胺的有机化合物。或者，p型掺杂剂的源可以包括HPtCl4、AuCl3、HAuCl4、三氟甲磺酸银(AgOTf)、AgNO3、H2PdCl6、Pd(OAc)2、Cu(CN)2等。
n型掺杂剂的源可以包括例如：取代的或未取代的烟酰胺的还原产物；与取代的或未取代的烟酰胺化学结合的化合物的还原产物；或者包括至少两个吡啶基团的化合物，其中所述吡啶基团中的至少一个的氮原子被还原。例如，n型掺杂剂的源可以包括烟酰胺单核苷酸-H(NMNH)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸-H(NADH)或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸-H(NADPH)，或者包括紫罗碱。或者，n型掺杂剂的源可以包括诸如聚乙烯亚胺(PEI)的聚合物。另外，n型掺杂剂可以包括诸如钾(K)或锂(Li)的碱金属。上述p型和n型掺杂剂材料仅是示例，并且各种其它材料可以用作掺杂剂。
夹层130被提供在第一光探测层121与第二光探测层122之间。这里，夹层130可以增大光电转换效率并减小暗电流。为此，夹层130可以包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料。这里，夹层130的电导率各向异性表明在基本上垂直于夹层130的方向上的电导率低于在基本上平行于夹层130的方向上的电导率。
具有电导率各向异性的夹层130的金属性材料或半金属性材料可以包括例如石墨烯或WTe2。石墨烯在平面方向上具有优良的电导率，但是在基本上垂直于平面方向的方向上具有更低的电导率。像石墨烯一样，WTe2在平面方向上的电导率可以基本上大于其在基本上垂直于平面方向的方向上的电导率。
夹层130的石墨烯可以具有例如多层结构。然而，石墨烯不限于此并且可以具有单层结构。夹层130的上述材料仅是示例，并且夹层130可以包括各种其它材料。夹层130可以具有例如约0.05nm到约10cm的厚度。具体地，夹层130可以具有约0.1nm到约100μm的厚度，但不限于此。
类似于上述第一光探测层121和第二光探测层122，夹层130的材料可以掺以p型掺杂剂或n型掺杂剂。如上所述，第一光探测层121和第二光探测层122以及夹层130中的至少一个可以不被掺杂或者不被掺以掺杂剂。
通常，因为仅使用光探测层的图像传感器的光电转换效率和暗电流基于用于图像传感器的光探测层的材料的独特特性(例如带隙或电导率)而被确定，所以高光电转换效率和/或低暗电流在期望的波长带中可能不被实现。
为了解决以上问题，光电转换效率可以通过插入光吸收层而被增大，或者暗电流可以通过插入阻挡层而被减小。然而，光吸收层可以增大光电转换效率但是可能不会减小暗电流，阻挡层可以减小暗电流但是也可能减小光电流因而降低光电转换效率。
在一示例实施方式中，高光电转换效率和/或低暗电流可以通过在第一光探测层121与第二光探测层122之间插入包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料的夹层130而被实现。这里，具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料例如多层石墨烯在平面方向上具有优良的电导率，并且在垂直于平面方向的方向上具有非常低的电导率。因此，当用作夹层130的多层石墨烯被插入在第一光探测层121与第二光探测层122之间时，夹层130可以作为上述阻挡层因而减小暗电流。这里，暗电流可以基于夹层130的金属性材料或半金属性材料的厚度而被调节。暗电流也可以基于第一光探测层121和第二光探测层122的半导体材料与夹层130的金属性材料或半金属性材料之间的带对准而被调节。带对准可以通过控制第一光探测层121和第二光探测层122的半导体材料以及夹层130的金属性材料或半金属性材料中的至少一种的费米能级而被执行。费米能级可以通过调节例如第一光探测层121和第二光探测层122的半导体材料以及夹层130的金属性材料或半金属性材料中的至少一种的掺杂密度而被控制。
当外部光入射到图像传感器100上时，与上述阻挡层不同，插入在第一光探测层121与第二光探测层122之间的夹层130可以吸收外部光并在第一光探测层121和第二光探测层122与夹层130之间产生光电流。
包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料的夹层130可以由于内部光发射效应、光热电子效应、带间激发效应等而吸收外部光并产生光电流。当第一光探测层121和第二光探测层122与夹层130之间的带对准差值(例如费米能级差值)小于入射光能量时，光电流可以由于内部光发射效应和光热电子效应而在第一光探测层121和第二光探测层122与夹层130之间产生。当第一光探测层121和第二光探测层122与夹层130之间的带对准差值(例如费米能级差值)大于入射光能量时，光电流可以由于光热电子效应而在第一光探测层121和第二光探测层122与夹层130之间产生。此外，包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料的夹层130可以由于带间激发效应而吸收外部光并在第一光探测层121和第二光探测层122与夹层130之间产生光电流。
类似于上述暗电流，光电转换效率可以基于夹层130的厚度而被调节。光电转换效率还可以基于第一光探测层121和第二光探测层122的半导体材料与夹层130的金属性材料或半金属性材料之间的带对准而被调节。带对准可以通过控制第一光探测层121和第二光探测层122的半导体材料以及夹层130的金属性材料或半金属性材料中的至少一种的费米能级而被执行。费米能级可以通过调节例如第一光探测层121和第二光探测层122的半导体材料以及夹层130的金属性材料或半金属性材料中的至少一种的掺杂密度而被控制。
如上所述，当外部光入射到图像传感器100上时，因为第一光探测层121和第二光探测层122产生光电流并且插入在第一光探测层121与第二光探测层122之间的夹层130额外地产生光电流，所以光电转换效率可以被增大。
在根据一示例实施方式的图像传感器100中，因为包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料的夹层130被插入在第一光探测层121与第二光探测层122之间，所以当外部光不入射到图像传感器100上时，暗电流可以被减小。此外，当外部光入射到图像传感器100上时，因为夹层130可以在第一光探测层121和第二光探测层122与夹层130之间额外地产生光电流，所以光电转换效率可以被增大。照此，能够既实现高光电转换效率又实现低暗电流的图像传感器100可以被实现。
如上所述，图像传感器、LiDAR系统或3D传感器可以能够在低光度环境中探测小的光信号，因而可以受益于高光电转换效率。因此，如果根据一示例实施方式的图像传感器100被应用于低光度环境、LiDAR系统或3D传感器，则暗电流可以被减小，并且由于高光电转换效率，小的光信号可以被探测。
图2A和2B是具有一般结构的图像传感器10和根据一示例实施方式的图像传感器100'的剖视图。
图2A示出具有一般结构的图像传感器10。参照图2A，第一电极11和第二电极12彼此间隔开，第一光探测层21和第二光探测层22被提供在第一电极11与第二电极12之间。提供在第一电极11的底表面上的第一光探测层21由MoS2制成或者包括MoS2，提供在第二电极12的顶表面上的第二光探测层22由n型Si制成或者包括n型Si。
图2B示出根据一示例实施方式的图像传感器100'。参照图2B，第一电极111'和第二电极112'彼此间隔开，第一光探测层121'和第二光探测层122'被提供在第一电极111'与第二电极112'之间。夹层130'被提供在第一光探测层121'与第二光探测层122'之间。在第一电极111'的底表面上的第一光探测层121'由MoS2制成或者包括MoS2，提供在第二电极112'的顶表面上的第二光探测层122'由n型Si制成或者包括n型Si。提供在第一光探测层121'与第二光探测层122'之间的夹层130'由多层石墨烯制成或者包括多层石墨烯。
图3是对比地示出图2A中所示的图像传感器10和图2B中所示的图像传感器100'的暗电流和光电转换效率的曲线图。在图3中，“A”表示图2A中所示的具有一般结构的图像传感器10，“B”表示图2B中所示的根据一示例实施方式的图像传感器100'。这里，用作光源的激光具有约850nm的波长和约1μW的输出，并且夹层130'的多层石墨烯具有约14nm的厚度。
参照图3，与具有一般结构的图像传感器A相比，根据一示例实施方式的图像传感器B的暗电流被减小，并且其响应率被增大。这里，响应率表示响应于外部光产生电信号的能力，并且高响应率指高光电转换效率。照此，示出了根据一示例实施方式的图像传感器B可以既实现低暗电流又实现高光电转换效率。
图4A和4B是示出基于根据一示例实施方式的图像传感器100'中的夹层130'的厚度变化的暗电流和光电转换效率的曲线图。
图4A基于夹层130'的厚度变化示出了图2B中所示的图像传感器100'的暗电流和光电转换效率。在图4A中，“B1”表示当夹层130'具有约6nm的厚度时的情况，“B2”表示当夹层130'具有约14nm的厚度的情况。这里，约-5V的测量偏置电压VSD被施加在第一光探测层121'与第二光探测层122'之间。参照图4A，当夹层130'的厚度增大时，暗电流减小并且光电转换效率增大。
图4B基于测量偏置电压变化示出了图2B中所示的图像传感器100'的暗电流。在图4B中，“B1”表示当夹层130'具有约6nm的厚度的情况，“B2”表示当夹层130'具有约14nm的厚度的情况，VSD表示施加在第一光探测层121'与第二光探测层122'之间的测量偏置电压。如图4B中所示，当夹层130'的厚度增大时，暗电流减小。照此，示出了根据一示例实施方式的图像传感器100'可以通过增大夹层130'的厚度而减小暗电流并增大光电转换效率。
图5是根据另一示例实施方式的图像传感器200的剖视图。以下描述集中在与前面的示例实施方式的差异上。
参照图5，图像传感器200包括彼此间隔开的第一电极211和第二电极212、提供在第一电极211与第二电极212之间的多个例如第一至第四光探测层221至224、以及提供在第一光探测层221至第四光探测层224之间的多个例如第一至第三夹层231至233。
第一电极211和第二电极212可以分别是例如上电极和下电极。第一电极211和第二电极212中的至少一个可以是透明电极。这里，透明电极可以包括例如TCO或石墨烯。
当外部光入射到用作上电极的第一电极211上时，第一电极211可以是透明电极。在这种情况下，第二电极212可以是金属电极。然而，第二电极212不限于此并且也可以是透明电极。当外部光入射到用作下电极的第二电极212上时，第二电极212可以是透明电极并且第一电极211可以是金属电极。然而，第一电极211不限于此并且也可以是透明电极。
第一光探测层221至第四光探测层224可以在第一电极211与第二电极212之间一个堆叠在另一个上，例如顺序地一个堆叠在另一个上。第一光探测层221至第四光探测层224将入射光转换成电信号，并且可以包括半导体材料。这里，半导体材料可以包括例如Si、TMDC、量子点和有机半导体材料中的至少一种，但不限于此。TMDC指具有二维(2D)晶体结构的半导体材料。TMDC可以包括在Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re和Cu当中选择的一种过渡金属以及在S、Se和Te当中选择的一种硫族元素。第一光探测层221至第四光探测层224的半导体材料可以掺以p型掺杂剂或n型掺杂剂用于调节光电流或暗电流。
第一夹层231可以被提供在第一光探测层221与第二光探测层222之间，第二夹层232可以被提供在第二光探测层222与第三光探测层223之间，第三夹层233可以被提供在第三光探测层223与第四光探测层224之间。这里，如上所述，第一夹层231至第三夹层233可以包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料。具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料可以包括例如石墨烯或WTe2。石墨烯或WTe2在平面方向上具有优良的电导率，但在垂直于平面方向的方向上具有非常低的电导率。这里，石墨烯可以具有单层或多层结构。
第一夹层231至第三夹层233的每个可以具有例如约0.05nm到约10cm的厚度。具体地，第一夹层231至第三夹层233中的每个或至少一个可以具有约0.1nm到约100μm的厚度，但不限于此。第一夹层231至第三夹层233的材料可以掺以p型掺杂剂或n型掺杂剂。
如在示例实施方式中，因为包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料的第一夹层231至第三夹层233被插入在第一光探测层221至第四光探测层224之间，所以暗电流可以被减小。此外，当外部光入射到第一夹层231至第三夹层233上时，光电流可以在第一光探测层221至第四光探测层224与第一夹层231至第三夹层233之间额外地产生，因而光电转换效率可以被增大。照此，配置为既实现高光电转换效率又实现低暗电流的图像传感器200可以被实现。
在以上描述中，四个光探测层例如第一光探测层221至第四光探测层224被提供在第一电极211与第二电极212之间，三个夹层例如第一夹层231至第三夹层233被提供在第一光探测层221至第四光探测层224之间。然而，示例实施方式不限于此，并且提供在第一电极211与第二电极212之间的光探测层及夹层的数量和厚度可以被各种各样地改变。
图6是根据另一示例实施方式的彩色图像传感器600的剖视图。
参照图6，彩色图像传感器600包括垂直地一个堆叠在另一个上的第一图像传感器至第三图像传感器610、620和630。这里，第一图像传感器至第三图像传感器610、620和630的每个可以探测特定波长带的某种颜色的光作为电信号。
例如，当外部光从彩色图像传感器600上方入射时，第一图像传感器至第三图像传感器610、620和630可以分别是蓝色图像传感器、绿色图像传感器和红色图像传感器。在这种情况下，第一图像传感器610可以将入射光中的蓝色光转换成电信号，第二图像传感器620可以将透过第一图像传感器610的光中的绿色光转换成电信号。第三图像传感器630可以将透过第一图像传感器610和第二图像传感器620的光中的红色光转换成电信号。
当外部光从彩色图像传感器600下方入射时，第一图像传感器至第三图像传感器610、620和630可以分别是红色图像传感器、绿色图像传感器和蓝色图像传感器。虽然彩色图像传感器600在以上描述中包括红色图像传感器、绿色图像传感器和蓝色图像传感器，但是彩色图像传感器600不限于此，并且可以包括各种颜色的图像传感器。
第一图像传感器至第三图像传感器610、620和630的每个可以是以上关于图1或5描述的图像传感器100或200。因此，第一图像传感器至第三图像传感器610、620和630中的每个或至少一个可以包括插入在光探测层之间并包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料的夹层(们)，因而可以实现低暗电流和高光电转换效率。彩色图像传感器600可以通过垂直地堆叠具有探测不同颜色的光的高灵敏度的第一图像传感器至第三图像传感器610、620和630而被制造。虽然第一图像传感器至第三图像传感器610、620和630的全部在以上描述中包括夹层，但是第一图像传感器至第三图像传感器610、620和630中的仅一部分可以包括夹层(们)。
图7是根据另一示例实施方式的图像传感器300的透视图。图8是图7中所示的图像传感器300的剖视图。
参照图7和8，第一电极311被提供在导电基板310上方。第一光探测层321和第二光探测层322被提供在导电基板310与第一电极311之间，夹层330被提供在第一光探测层321与第二光探测层322之间。
导电基板310可以包括例如硅基板。然而，导电基板310不限于此，并且可以包括各种其它导电材料。导电基板310可以用作其为下电极的第二电极。虽然未在图7和8中示出，但是用于读取由于光吸收而产生的电信号的读出电路可以被提供在导电基板310上，并且可以包括一个或更多个晶体管和电容器、多个布线结构等。
第一电极311是上电极并与导电基板310间隔开并且被提供在导电基板310上方。第一电极311可以是透明电极。透明电极可以包括例如TCO或石墨烯。这里，TCO可以包括从例如ITO、IZO、ZnO、SnO2、ATO、AZO、GZO、TiO2和FTO中选择的至少一种材料。然而，TCO不限于此。石墨烯可以具有单层或多层结构。
第一光探测层321和第二光探测层322被提供在第一电极311与导电基板310之间。第一光探测层321被提供在第一电极311的底表面上，第二光探测层322被提供在导电基板310的顶表面上。
第一光探测层321和第二光探测层322将入射光转换成电信号，并且可以包括半导体材料。这里，第一光探测层321和第二光探测层322可以将某种颜色的光转换成电信号。
第一光探测层321和第二光探测层322的半导体材料可以包括例如Si、TMDC、量子点和有机半导体材料中的至少一种，但不限于此。TMDC可以包括在Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re和Cu当中选择的一种过渡金属以及在S、Se和Te当中选择的一种硫族元素。例如，TMDC可以包括MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、HfSe2、NbSe2、ReSe2或CuS，但不限于此。第一光探测层321和第二光探测层322的半导体材料可以掺以p型掺杂剂或n型掺杂剂用于调节光电流或暗电流。
绝缘层315可以被进一步提供在导电基板310与导电基板310上方的第二光探测层322之间，其中第二光探测层322在光探测层之中最靠近导电基板310。绝缘层315可以包括例如硅氧化物，但不限于此。如图8中所示，通路孔315a被提供在绝缘层315中。第二光探测层322和导电基板310可以通过通路孔315a彼此电连接。照此，由于光吸收而产生的光电流可以从第二光探测层322朝用作下电极的导电基板310流动。
夹层330被提供在第一光探测层321与第二光探测层322之间。这里，如上所述，夹层330可以包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料。夹层330可以包括例如WTe2或具有至少一个层的石墨烯。石墨烯和WTe2在平面方向上具有优良的电导率，但是在基本上垂直于平面方向的方向上具有非常低的电导率。
夹层330可以具有例如约0.05nm到约10cm的厚度。具体地，夹层330可以具有约0.1nm到约100μm的厚度，但不限于此。夹层330的材料可以掺以p型掺杂剂或n型掺杂剂。
因为包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料的夹层330被插入在第一光探测层321与第二光探测层322之间，所以如上所述，可以减小暗电流并且同时可以增大光电转换效率。
暗电流和光电转换效率可以通过控制夹层330的厚度或者控制第一光探测层321和第二光探测层322的半导体材料与夹层330的金属性材料或半金属性材料之间的带对准而被调节。这里，带对准可以通过控制第一光探测层321和第二光探测层322的半导体材料以及夹层330的材料中的至少一个的费米能级而被执行。费米能级可以通过调节例如第一光探测层321和第二光探测层322的半导体材料以及夹层330的材料中的至少一个的掺杂密度而被控制。
在根据一示例实施方式的图像传感器300中，当外部光未入射到图像传感器300上时，因为夹层330用作阻挡层，所以暗电流可以被减小。此外，当外部光通过用作上电极的透明的第一电极311入射时，因为光电流由第一光探测层321和第二光探测层322产生并由于内部光发射效应、光热电子效应、带间激发效应等由第一光探测层321与第二光探测层322之间的夹层130额外地产生，所以光电转换效率可以被增大。
在以上描述中，两个光探测层例如第一光探测层321和第二光探测层322、以及一个夹层例如夹层330被提供在用作上电极的第一电极311与用作下电极的导电基板310之间。然而，示例实施方式不限于此，并且提供在第一电极311与导电基板310之间的光探测层和夹层的数量可以被各种各样地改变。包括不同颜色的图像传感器的垂直堆叠的彩色图像传感器可以使用根据示例实施方式的图像传感器300被实现。
图9是根据另一示例实施方式的图像传感器400的透视图。图10是图9中所示的图像传感器400的剖视图。
参照图9和10，第一电极411和第二电极412彼此间隔开并被提供在导电基板410上方。第一光探测层421和第二光探测层422被提供在第一电极411与第二电极412之间，夹层430被提供在第一光探测层421与第二光探测层422之间。
导电基板410可以包括例如硅基板。然而，导电基板410不限于此并且可以包括各种其它导电材料。虽然未在图9和10中示出，但是用于读取由于光吸收而产生的电信号的读出电路可以被提供在导电基板410上。
第一电极411和第二电极412可以分别是上电极和下电极。用作上电极的第一电极411可以是例如透明电极。透明电极可以包括例如TCO或石墨烯。这里，TCO可以包括从例如ITO、IZO、ZnO、SnO2、ATO、AZO、GZO、TiO2和FTO中选择的至少一种材料。然而，TCO不限于此。石墨烯可以具有单层或多层结构。
用作下电极的第二电极412可以是金属电极。金属电极可以包括从例如Al、Cu、Ti、Au、Pt、Ag和Cr中选择的至少一种材料。然而，金属电极不限于此。或者，第二电极412可以是透明电极。
绝缘层415可以被提供在第二电极412与导电基板410之间以使第二电极412与导电基板410彼此绝缘。绝缘层415可以包括例如硅氧化物，但不限于此，并且可以包括各种其它绝缘材料。
在至少一个示例实施方式中，第一光探测层421和第二光探测层422被提供在第一电极411与第二电极412之间。第一光探测层421被提供在第一电极411的底表面上，第二光探测层422被提供在第二电极412的顶表面上。就是说，第二电极412被提供在绝缘层415与绝缘层415上方的光探测层422之间，其中第二光探测层422在光探测层之中最靠近绝缘层415。第一光探测层421和第二光探测层422将入射光转换成电信号，并且可以包括半导体材料。第一光探测层421和第二光探测层422的半导体材料可以包括例如Si、TMDC、量子点和有机半导体材料中的至少一种，但不限于此。第一光探测层421和第二光探测层422的半导体材料可以掺以p型掺杂剂或n型掺杂剂用于调节光电流或暗电流。
夹层430被提供在第一光探测层421与第二光探测层422之间。如上所述，夹层430可以包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料，例如石墨烯或WTe2。夹层430可以具有例如约0.05nm到约10cm的厚度。具体地，夹层430可以具有约0.1nm到约100μm的厚度，但不限于此。夹层430的材料可以掺以p型掺杂剂或n型掺杂剂。
在根据示例实施方式的图像传感器400中，当外部光未入射到图像传感器400上时，因为夹层430用作阻挡层，所以暗电流可以被减小。此外，当外部光通过用作上电极的透明的第一电极411入射时，因为第一光探测层421和第二光探测层422产生光电流并且夹层430在第一光探测层421和第二光探测层422与夹层430之间额外地产生光电流，所以光电转换效率可以被增大。
在以上描述中，两个光探测层例如第一光探测层421和第二光探测层422、以及一个夹层例如夹层430被提供在用作上电极的第一电极411与用作下电极的第二电极412之间。然而，示例实施方式不限于此，并且提供在第一电极411与第二电极412之间的光探测层和夹层的数量可以被各种各样地改变。包括不同颜色的图像传感器的垂直堆叠的彩色图像传感器可以使用根据示例实施方式的图像传感器400被实现。
图11是根据另一示例实施方式的图像传感器500的剖视图。
参照图11，第一电极511和第二电极512彼此间隔开并被提供在绝缘基板510上。第一光探测层521和第二光探测层522被提供在第一电极511与第二电极512之间，夹层530被提供在第一光探测层521与第二光探测层522之间。
第一电极511和第二电极512可以分别是上电极和下电极。用作上电极的第一电极511可以是透明电极。透明电极可以包括例如TCO或石墨烯。用作下电极的第二电极512可以是金属电极。然而，第二电极512不限于此，并且也可以是透明电极。
第一光探测层521和第二光探测层522被提供在第一电极511与第二电极512之间。第一光探测层521被提供在第一电极511的底表面上，第二光探测层522被提供在第二电极512的顶表面上。第一光探测层521和第二光探测层522将入射光转换成电信号，并且可以包括半导体材料。半导体材料可以包括例如Si、TMDC、量子点和有机半导体材料中的至少一种，但不限于此。第一光探测层521和第二光探测层522的半导体材料可以掺以p型掺杂剂或n型掺杂剂用于调节光电流或暗电流。
夹层530被提供在第一光探测层521与第二光探测层522之间。如上所述，夹层530可以包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料，例如石墨烯或WTe2。夹层530可以具有例如约0.05nm到约10cm的厚度。具体地，夹层530可以具有约0.1nm到约100μm的厚度，但不限于此。夹层530的材料可以掺以p型掺杂剂或n型掺杂剂。
在根据示例实施方式的图像传感器500中，当外部光未入射到图像传感器500上时，因为夹层530用作阻挡层，所以暗电流可以被减小。此外，当外部光通过用作上电极的透明的第一电极511入射时，因为第一光探测层521和第二光探测层522产生光电流并且夹层530在第一光探测层521和第二光探测层522与夹层530之间额外地产生光电流，所以光电转换效率可以被增大。
在以上描述中，两个光探测层例如第一光探测层521和第二光探测层522、以及一个夹层例如夹层530被提供在用作上电极的第一电极511与用作下电极的第二电极512之间。然而，示例实施方式不限于此，并且提供在第一电极511与第二电极512之间的光探测层和夹层的数量可以被各种各样地改变。包括不同颜色的图像传感器的垂直堆叠的彩色图像传感器可以使用根据示例实施方式的图像传感器500被实现。
根据示例实施方式，因为包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料的夹层被插入在光探测层之间，所以当外部光不入射时，暗电流可以被减小。此外，当外部光入射时，因为光探测层产生光电流并且夹层在光探测层与夹层之间额外地产生光电流，所以光电转换效率可以被增大。照此，能够既实现高光电转换效率又实现低暗电流的图像传感器可以被实现。
图12A和12B示出根据至少一个示例实施方式的探测生物特征区域的方法的一示例。参照图12A，第一分类器210、第二分类器220和第三分类器230可以识别输入图像201中的生物特征区域。第一分类器210、第二分类器220和第三分类器230可以基于预先学习到的阈值而探测对于每个阶段具有不同尺寸的生物特征区域，并且可以分别对应于多阶段结构的第一阶段、第二阶段和第三阶段。对于多阶段的每个，感兴趣区域(ROI)可以基于不同的目的或不同的特征而被设定。例如，对于第一阶段，ROI可以被设定为降低错误探测率。为了降低错误探测率，第一分类器210可以通过识别输入图像201中的区域202而探测宽ROI，例如包括两个眼角点的区域202。第一分类器210可以拒绝对输入图像201中除眼区域之外的区域的探测。
作为另一示例，对于第二阶段和第三阶段，ROI可以被设定为增大探测率。对应于第二阶段的第二分类器220可以从第一分类器210的探测结果探测包括瞳孔或虹膜的区域203。在该示例中，第二分类器220可以拒绝对包括眼睛的区域202中除瞳孔或虹膜之外的诸如眼角的眼睛轮廓区域的探测。
对应于第三阶段的第三分类器230可以从第二分类器220的探测结果探测仅包括瞳孔或虹膜的区域204。在该示例中，第三分类器230可以拒绝对除瞳孔或虹膜之外的区域的探测，因而仅包括瞳孔或虹膜的区域204最终可以被探测到。
图12B示出对于每个阶段设定成不同尺寸的ROI。作为一示例，第一ROI，例如第一阶段上的区域202，可以通过第一尺寸的第一探测窗口215从输入图像201被探测到。第二ROI，例如第二阶段上的区域203，可以通过第二尺寸的第二探测窗口225从第一ROI 202被探测到。第三ROI，例如第三阶段上的区域204，可以通过第三尺寸的第三探测窗口235从第二ROI203被探测到。
因此，图像传感器能在近红外(NIR)波长带中取得通常大于可见光波段的量子效率的1/2的量子效率，因而图像传感器的灵敏度能被增大，并且由于虹膜识别在低光度环境中的更高的灵敏度而可以不再需要额外的光源。照此，诸如移动支付的技术可以用诸如例如虹膜识别的安全技术而令人满意地被商业化。此外，作为灵敏度增大的结果，不再需要大的像素尺寸，因而嵌入式照相机的尺寸可以被减小。
图13是示出根据一些示例实施方式的包括光学相位阵列(OPA)的光探测和测距(LiDAR)系统的配置的图。在图13中，LiDAR系统2000可以包括OPA 150、激光二极管(LD)250、接收器350和控制器505。如图13中所示，一个或更多个LiDAR系统2000可以被包括在诸如汽车的车辆的一个或更多个部分中。车辆可以被配置为手动驾驶或自主驾驶。例如，车辆可以被配置为基于通过车辆中包括的一个或更多个LiDAR系统2000的数据的生成借助于环境而被驾驶。这样的驾驶可以包括车辆被配置为借助于环境、相对于位于环境中的物体、基于由LiDAR系统产生的作为LiDAR系统将激光束发射到环境中并探测环境中的物体的结果的数据而驾驶，其中LiDAR系统可以基于探测所发射激光束离开物体的反射和/或散射而探测物体。
在LiDAR系统2000中，接收器350可以包括布置为阵列结构“Rx阵列”的多个光电二极管。天线160也可以基于体硅基板形成使得多个单位天线被布置成阵列。因此，“Tx天线阵列”用于表示图13中的天线160。
控制器505可以包括LD控制器520、垂直角度控制器535、水平角度控制器540和主控制器515。LD控制器520控制从可调谐LD 250输出的光。例如，LD控制器520可以控制到可调谐LD 250的电力供应、可调谐LD 250的接通/断开、以及可调谐LD 250的脉冲波(PW)或连续波(CW)的产生。
主控制器515可以控制LD控制器520、垂直角度控制器535、水平角度控制器540和接收器350的总体操作。此外，主控制器515可以接收关于从接收器350反射的光信号的信息并且可以计算到物体的距离。例如，主控制器515可以通过使用飞行时间(TOF)技术而计算到物体的距离。
参照图14，LiDAR系统2000可以包括光学集成电路1000和控制器505。光学集成电路1000可以具有OPA 150、可调谐LD 250和接收器350在其中被一起集成在体硅基板1中的结构。控制器505可以被提供成一个芯片。例如，构成控制器505的LD控制器520、垂直角度控制器535、水平角度控制器540和主控制器515可以被一起集成到一个芯片中。用于引线键合(wire bonding)，多个第一焊盘501可以形成在控制器505上并且多个第二焊盘1001可以形成在光学集成电路1000上。第一焊盘501可以通过引线550连接到第二焊盘1001。
图15是示出根据至少一个示例实施方式的深度图像测量系统的示意性配置的图。在图15中，照相机可以包括照明装置40、光调制光学系统100和图像传感器200。虽然未示出，但是照相机可以包括控制照明装置40、光调制光学系统100和图像传感器200的控制器(例如专用处理器)、以及处理从图像传感器200产生的深度图像信号的信号处理器。照明装置40可以是发射红外线的光源。照明装置40可以包括例如发射红外线或近红外线的LD或发光二极管(LED)。附图标记40L表示从照明装置40发射到物体44的光。从物体44反射的光44L通过光调制光学系统100被输入到图像传感器200中。图像传感器200可以是不具有滤色器的单色(黑白)电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器或有机图像传感器。光调制光学系统100可以包括可根据TOF法和立体法操作的光学调制器。光学调制器可以是通过向其施加电信号而控制光学透射率的器件，并且可以是使用化合物半导体的高速光学调制器。
应理解，在此描述的示例实施方式应仅在描述性的意义上被考虑并且不是为了限制的目的。对每个示例实施方式内的特征的描述通常应被认为可用于其它示例实施方式中的其它相似特征。
虽然已经参照附图描述了一个或更多个示例实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以在此作出形式和细节上的各种各样的改变而不背离由所附权利要求所限定的精神和范围。
本申请要求享有2016年11月8日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0148186号的优先权的权益，其公开通过引用全文合并于此。

Claims (30)

1.一种图像传感器，包括：
彼此堆叠且间隔开的第一电极和第二电极；
在所述第一电极与所述第二电极之间并配置为将入射光转换成电信号的多个光探测层，所述多个光探测层中的一个或更多个包括半导体材料；以及
夹层，其在所述多个光探测层之间并包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料，所述夹层被配置为暗电流的阻挡层。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述夹层在垂直于所述夹层的方向上具有与平行于所述夹层的方向上的电导率相比更低的电导率。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中光电流由于入射光而在所述多个光探测层与所述夹层之间产生。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述夹层包括WTe2或具有至少一个层的石墨烯。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述夹层具有0.05nm到10cm的厚度。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述夹层具有0.1nm到100μm的厚度。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个光探测层包括硅(Si)、过渡金属二硫族化合物、量子点和有机半导体材料中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述过渡金属二硫族化合物包括钼(Mo)、钨(W)、铌(Nb)、钒(V)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、锝(Tc)、铼(Re)和铜(Cu)中的一种以及硫(S)、硒(Se)和碲(Te)中的一种。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个是透明电极。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中所述透明电极包括透明导电氧化物或石墨烯。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个光探测层和所述夹层中的至少一个被配置为经由费米能级的控制而调节光电转换效率和所述暗电流。
12.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述夹层被配置为经由其厚度的控制而调节光电转换效率和所述暗电流，以及所述多个光探测层和所述夹层中的至少一个被配置为经由其掺杂密度而调节光电转换效率和所述暗电流。
13.一种图像传感器，包括：
基板；
与所述基板间隔开并在所述基板上方的第一电极；
在所述第一电极与所述基板之间并配置为将入射光转换成电信号的多个光探测层，所述多个光探测层包括半导体材料；以及
夹层，其在所述多个光探测层之间并包括具有电导率各向异性的金属性材料或半金属性材料，所述夹层被配置为暗电流的阻挡层。
14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中所述基板包括导电基板。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，其中所述导电基板包括硅基板。
16.根据权利要求14所述的图像传感器，还包括在所述基板与所述基板上方的所述光探测层之间的绝缘层。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，其中所述基板与所述基板上方的所述光探测层通过所述绝缘层中的通路孔而彼此电连接。
18.根据权利要求16所述的图像传感器，还包括在所述绝缘层与所述绝缘层上方的所述光探测层之间的第二电极。
19.根据权利要求13所述的图像传感器，其中所述基板包括绝缘基板。
20.根据权利要求19所述的图像传感器，还包括在所述基板上的第二电极。
21.根据权利要求13所述的图像传感器，其中所述夹层在基本上垂直于所述夹层的方向上比在基本上平行于所述夹层的方向上具有更低的电导率。
22.根据权利要求21所述的图像传感器，其中所述夹层包括WTe2或具有至少一个层的石墨烯。
23.根据权利要求13所述的图像传感器，其中所述夹层具有0.05nm到10cm的厚度。
24.根据权利要求13所述的图像传感器，其中所述多个光探测层包括硅(Si)、过渡金属二硫族化合物、量子点和有机半导体材料中的至少一种。
25.根据权利要求13所述的图像传感器，其中所述第一电极是透明电极。
26.根据权利要求25所述的图像传感器，其中所述透明电极包括透明导电氧化物或石墨烯。
27.一种图像传感器，包括：
由多个光探测层隔开且彼此堆叠的第一电极和第二电极，所述多个光探测层中的一个或更多个包括半导体材料；以及
在所述多个光探测层中的至少两个之间的夹层，所述夹层具有电导率各向异性，所述夹层被配置为暗电流的阻挡层。
28.根据权利要求27所述的图像传感器，其中所述夹层包括金属性材料或半金属性材料。
29.根据权利要求27所述的图像传感器，其中所述夹层在基本上垂直于所述夹层的方向上的电导率低于在基本上平行于所述夹层的方向上的电导率。
30.根据权利要求27所述的图像传感器，其中所述多个光探测层和所述夹层被配置为由于入射光而产生电。
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