CN110491894A - 一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器，包括基底电路层，所述基底电路层上设置有光敏器件层，基底电路层与光敏器件层电连接；所述光敏器件层上设置有滤光结构层，滤光结构层上设置聚焦结构层，聚焦结构层用于将光线聚焦到光敏器件层上，且能够在可见光范围内产生0到2π的相移；所述滤光结构层由纳米盘阵列组成，所述纳米盘阵列的高度为50‑200nm，周期为100‑400nm，纳米盘阵列纵横比为1:10‑1:1。本发明利用非晶硅纳米盘结构实现了多种波长的滤光，非晶硅可以在不同衬底上形成，具有很好的工艺兼容性。聚焦结构层、滤光结构层以及光敏器件层都集成在CMOS晶圆上，从而可以实现多波段滤光成像装置的小型化和便携化。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感技术领域，具体是一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器及其制备方法。
背景技术
传统的多波段滤光成像系统包括用于连续减轻像差的大且复杂的光学部件，以及检测不同入射波长的多种图像传感器，从而才能完成多波段滤光成像，因此传统的多波段滤光成像系统复杂，体积庞大，不方便使用。因此，如何实现多波段滤光成像系统的小型化、便携化仍是亟需解决的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器及其制备方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器，包括基底电路层，所述基底电路层上设置有光敏器件层，基底电路层与光敏器件层电连接；所述光敏器件层上设置有滤光结构层，滤光结构层上设置聚焦结构层，聚焦结构层用于将光线聚焦到光敏器件层上，且能够在可见光范围内产生0到2π的相移；所述滤光结构层由纳米盘阵列组成，所述纳米盘阵列的高度为50-200nm，周期为100-400nm，纳米盘阵列纵横比为1:10-1:1。
其中，所述滤光结构层中的纳米盘阵列包括多个子阵列，各子阵列包括多个纳米盘，同一子阵列内的纳米盘具有相同的直径和周期，不同子阵列的纳米盘的直径和周期不同，每个子阵列分别对应光敏器件层的一个光敏器件。
其中，所述纳米盘的直径为50-200nm。
其中，所述纳米盘阵列包括至少四个子阵列，对应至少四个不同的滤光波长。
其中，所述聚焦结构层包括多个纳米柱，多个纳米柱排列成多个同心圆环，同一圆环内的纳米柱直径相同，不同圆环之间纳径自外向内逐渐增大。
其中，所述纳米柱为氮化硅纳米柱、金纳米柱或砷化镓纳米柱。
其中，所述各个纳米柱为圆柱形或椭圆柱形。
其中，所述聚焦结构层的厚度等于波长，周期等于0.7倍的波长。
其中，所述滤光结构层与聚焦结构层之间设置有平坦层。
本发明还提供一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1：准备CMOS传感芯片半成品晶圆，其包括基底电路层和光敏器件层；
S2：在晶圆上沉积非晶硅薄膜；
S3：将非晶硅薄膜进行一次光刻和刻蚀工艺形成滤光结构层的非晶硅纳米盘阵列；
S4：沉积二氧化硅薄膜并进行研磨后形成平坦层；
S5：在平坦层上沉积聚焦结构层薄膜；
S6：将聚焦结构层薄膜进行一次光刻和刻蚀工艺形成聚焦结构层的纳米柱阵列。
有益效果：本发明具有以下有益效果：
1、利用非晶硅纳米盘结构实现了多种波长的滤光，非晶硅可以在不同衬底上形成，具有很好的工艺兼容性。
2、利用氮化硅纳米柱实现入射光的聚焦功能，从而可以代替复杂结构的光学透镜，实现可见光范围内的聚焦(不会产生像差)。
3、聚焦结构层、滤光结构层以及光敏器件层都集成在CMOS晶圆上，从而可以实现多波段滤光成像装置的小型化和便携化。
4、制备工艺兼容现有的CMOS工艺，可以直接在现有的CMOS图像传感晶圆上进行，生产成本低，适合批量生产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为滤光结构层的结构示意图；
图3为聚焦结构层的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1-图3所示，本发明的一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器，包括基底电路层1，所述基底电路层1上设置有光敏器件层2，基底电路层1与光敏器件层2电连接；所述光敏器件层2上设置有滤光结构层3，滤光结构层3上设置聚焦结构层5，聚焦结构层5用于将光线聚焦到光敏器件层2上，且能够在可见光范围内产生0到2π的相移；所述滤光结构层3由纳米盘阵列组成，所述纳米盘阵列的高度为50-200nm，周期为100-400nm，纳米盘阵列纵横比为1:10-1:1。所述纳米盘阵列包括至少四个子阵列31，各子阵列31包括多个纳米盘，同一子阵列31内的纳米盘具有相同的直径和周期，不同子阵列31的纳米盘的直径和周期不同，每个子阵列31分别对应光敏器件层2的一个光敏器件，所述纳米盘的直径为50-200nm。在滤光结构层3与聚焦结构层5之间设置有平坦层4。
如图1和图3所示，所述聚焦结构层5包括多个圆柱形或者椭圆柱形的纳米柱51，多个纳米柱51排列成多个同心圆环，同一圆环内的纳米柱51直径相同，不同圆环之间纳米柱51直径自外向内逐渐增大，所述聚焦结构层5的厚度等于波长，周期等于0.7倍的波长。所述纳米柱51为氮化硅纳米柱、金纳米柱或砷化镓纳米柱。
具体地，本发明的基底电路层1为半导体材料制成，可以为硅或其它半导体化合物。本发明中的光敏器件层2、滤光结构层3和聚焦结构层5都是在基底电路层1上通过薄膜沉积、光刻、刻蚀等半导体工艺集成在一起的，可以兼容现有的图像传感器CMOS工艺，同时实现了聚焦、滤光、探测为一体，是实现小型化成像的核心。
光敏器件层2实质是光电二极管，利用的是半导体材料的光电效应，可以吸收光信号并转换成电信号。同时光敏器件层2是由像元阵列组成，每个光敏器件表示一个像素点。
滤光结构层3设置在光敏器件层2上方，是由纳米盘阵列组成，纳米盘的高度是一致的，在50nm-200nm之间；纳米盘阵列包括多个子阵列31，每个子阵列31包括多个纳米盘，同一子阵列内31的纳米盘具有相同直径和周期，不同子阵列内的纳米盘的直径和周期不同。每个子阵列31可以选择一种波长透过，同时对应的子阵列31下方的光敏器件层2的像素点可以检测对应波长的光，如图2所示，作为一种具体实施方式，此时一个纳米盘阵列包括九个子阵列31，不同子阵列之间的纳米盘直径和周期不一样，通过设置不同的直径和周期，从而可以选择不同的九种波长的光透过。本发明中纳米盘的高度在50-200nm之间，周期在100-400nm，纳米盘纵横比在1:10-1:1之间。滤光结构层2为非晶硅纳米盘，优选为氢化非晶硅相对非晶硅内部缺陷较少，可以降低光子的吸收，提高光的透过率。非晶硅薄膜可以在低温下不同衬底上生长，经过一次光刻就可以形成所需要的结构，工艺简单，兼容CMOS工艺。非晶硅纳米盘在可见光区域具有高吸收，透过率低的特点，而本发明中的非晶硅纳米盘实质是一种超薄电介质超曲面，纳米盘结构散射截面积大，当周期小于所需要透射的波长时，利用阵列型的纳米盘结构可以产生由米氏散射引发的电偶极子和磁偶极子共振，通过阵列型纳米盘结构的散射截面诱发共振增强，可以增强特定波长的入射光透射，而非特定波长波段的入射光无法透射，通过改变纳米盘周期和直径可以控制共振条件，改变可增强透射的入射光中心波长，从而实现滤光特性。在本申请另一实施例中，滤光结构层也可以为铝纳米盘或者银纳米盘，其中铝纳米盘不易氧化，在可见光范围内均可滤光；银纳米盘对波长选择性好，颜色饱和度好。
平坦层4用于填充滤光结构层3的纳米盘之间的空隙，同时也是作为折射率匹配层，可以为纳米盘建立一个均匀的光学环境，平坦层4也为后续的结构提供了一个相对平坦的表面，有利于后续工艺中薄膜的沉积。本发明中利用二氧化硅薄膜进行填充，沉积高于纳米盘厚度的二氧化硅薄膜后再进行研磨实现平坦化，相对于聚合物薄膜，二氧化硅在可见光范围内具有更高的透过率，同时与非晶硅及基底电路层材料都具有良好的粘结性。
聚焦结构层5为透明的低折射率材料，要求对可见光范围内的波长具有较大的透过率，可以为透明导电氧化物、有机聚合物、氮化硅等，本发明中聚焦结构层包括具有周期性排列的多个纳米柱51，且同一圆环内纳米柱周期相同。通过改变不同圆环内纳米柱51的直径，纳米柱51可以在可见光范围内对入射光波产生0到2π的相移，获得所需的任意的相位轮廓，同时保持大的传输幅度，根据透镜面内不同位置所需相移并设计相应的纳米柱直径，从而可以在可见光400nm-700nm范围内特定波段实现恒定的焦距，本发明中使用纳米柱51制备的表面透镜结构高质量的实现了高达90％的传输效率和40％的聚焦效率，数值孔径达到0.75。本发明中纳米柱51的形状为圆柱形或者椭圆柱形，纳米柱的周期p、直径d和厚度t都影响聚焦效果。周期和厚度会影响传输幅度不同的厚度和周期会出现不同的谐振，谐振产生的宽共振会导致强烈变化的传输幅度，当t＝1.2λ和p＝0.4λλ为设计波长，相位延迟和传输幅度对于所有模拟的柱直径都是连续的，传输幅度只有很小的变化，但此时纵横比较大，不适合制造；在确保适当的制造纵横比，同时保持整个相位范围的近似传输幅度，本发明优选参数t＝λ和p＝0.7λ，本发明中设计波长为633nm，通过改变纳米柱直径可以实现需要的相位轮廓，为实现0到2π的相移，作为一种具体实施方式，本发明中对应六个不同的纳米柱直径，分别为192nm,242nm，292nm，342nm，392nm，442nm。在本申请另一实施例中，聚焦结构层为金纳米柱或者砷化镓纳米柱，其中金纳米柱利用金属等离子激元共振，从而具有较高的传输效率。本发明的聚焦结构层5结构简单，可以代替传统复杂的光学器件，避免了传统光学器件需要利用复杂透镜组才能消除的像差，实现在可见光谱范围内的所有波长的聚焦。
传统的光学元件主要是依靠折射来控制光传播，折射很大程度上依赖与表面精确曲率，以实现逐渐的相位累积，而本发明中纳米柱51是一种平面透镜，其不是依靠光传播逐渐积累相位，而是在入射光的相位上产生离散的突变，从而通过扁平和紧凑的方式替换现有的复杂光学部件。也可以采用金属、非晶硅或氧化钛等高折射率材料形成平面透镜，但金属材料在光学频率有明显的损耗，氧化钛不能与CMOS工艺兼容，而非晶硅吸收可见光和近红外光谱的光，同时这些高折射率材料会有局部共振产生以及由于空间位置导致的相位不连续性，从而出现色差的现象，这种色差表现为图像中与波长相关的模糊，从而基于表面的成像需要复杂的表面结构设计以及只能在窄波长范围内成像。纳米柱51具有CMOS兼容性以及较低的可见光吸收，每个纳米柱顶部和底部界面都具有低反射率，从而可以减小入射光的共振；同时通过改变纳米柱直径，从而可以实现连续的相位变化，从而在可见光范围内实现聚焦。
本发明还提供一种的集成有聚焦功能的多波段滤光传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1：准备CMOS传感芯片半成品晶圆，其包括基底电路层1和光敏器件层2；
S2：在晶圆上沉积氢化非晶硅薄膜；
S3：将氢化非晶硅薄膜进行一次光刻和刻蚀工艺形成滤光结构层3的非晶硅纳米盘阵列；
S4：沉积二氧化硅薄膜并进行研磨后形成平坦层；
S5：在平坦层上沉积聚焦结构层薄膜；
S6：将聚焦结构层进行一次光刻和刻蚀工艺形成聚焦结构层5的纳米柱51阵列。
Claims (10)
1.一种一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器，其特征在于：包括基底电路层(1)，所述基底电路层(1)上设置有光敏器件层(2)，基底电路层(1)与光敏器件层(2)电连接；所述光敏器件层(2)上设置有滤光结构层(3)，滤光结构层(3)上设置聚焦结构层(5)，聚焦结构层(5)用于将光线聚焦到光敏器件层(2)上，且能够在可见光范围内产生0到2π的相移；所述滤光结构层(3)由纳米盘阵列组成，所述纳米盘阵列的高度为50-200nm，周期为100-400nm，纳米盘阵列纵横比为1:10-1:1。
2.根据权利要求1所述的一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器，其特征在于：所述滤光结构层(3)中的纳米盘阵列包括多个子阵列(31)，各子阵列(31)包括多个纳米盘，同一子阵列(31)内的纳米盘具有相同的直径和周期，不同子阵列(31)的纳米盘的直径和周期不同，每个子阵列(31)分别对应光敏器件层(2)的一个光敏器件。
3.根据权利要求2所述的一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器，其特征在于：所述纳米盘的直径为50-200nm。
4.根据权利要求2所述的一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器，其特征在于：所述纳米盘阵列包括至少四个子阵列(31)，对应至少四个不同的滤光波长。
5.根据权利要求1所述的一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器，其特征在于：所述聚焦结构层(5)包括多个纳米柱(51)，多个纳米柱(51)排列成多个同心圆环，同一圆环内的纳米柱(51)直径相同，不同圆环之间纳米柱(51)直径自外向内逐渐增大。
6.根据权利要求5所述的一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器，其特征在于：所述纳米柱为氮化硅纳米柱、金纳米柱或砷化镓纳米柱。
7.根据权利要求6所述的一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器，其特征在于：所述各个纳米柱(51)为圆柱形或椭圆柱形。
8.根据权利要求1所述的一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器，其特征在于：所述聚焦结构层(5)的厚度等于波长，周期等于0.7倍的波长。
9.根据权利要求1所述的一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器，其特征在于：所述滤光结构层(3)与聚焦结构层(5)之间设置有平坦层(4)。
10.一种权利要求1-9任一项所述的集成有聚焦功能的多波段滤光传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：准备CMOS传感芯片半成品晶圆，其包括基底电路层(1)和光敏器件层(2)；
S2：在晶圆上沉积非晶硅薄膜；
S3：将非晶硅薄膜进行一次光刻和刻蚀工艺形成滤光结构层(3)的非晶硅纳米盘阵列；
S4：沉积二氧化硅薄膜并进行研磨后形成平坦层(4)；
S5：在平坦层(4)上沉积聚焦结构层薄膜；
S6：将聚焦结构层薄膜进行一次光刻和刻蚀工艺形成聚焦结构层(5)的纳米柱(51)阵列。
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| CN201910861927.7A CN110491894A (zh) | 2019-09-12 | 2019-09-12 | 一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器及其制备方法 |
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| CN201910861927.7A CN110491894A (zh) | 2019-09-12 | 2019-09-12 | 一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器及其制备方法 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101117208A (zh) * | 2007-09-18 | 2008-02-06 | 中山大学 | 一种制备一维硅纳米结构的方法 |
| CN104969000A (zh) * | 2012-08-13 | 2015-10-07 | 哈佛大学校长及研究员协会 | 使用硅纳米线的多光谱成像 |
| CN107155375A (zh) * | 2014-11-18 | 2017-09-12 | 索尼公司 | 固态摄像装置及其制造方法和电子设备 |
| CN210200734U (zh) * | 2019-09-12 | 2020-03-27 | 江苏集萃智能传感技术研究所有限公司 | 一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器 |
-
2019
- 2019-09-12 CN CN201910861927.7A patent/CN110491894A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN210200734U (zh) * | 2019-09-12 | 2020-03-27 | 江苏集萃智能传感技术研究所有限公司 | 一体化集成有聚焦功能的多波段滤光传感器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| ALAN ZHAN ET AL.: "Low Contrast Dielectric Metasurface Optics", ACS PHOTONICS, vol. 3, no. 2, pages 209 - 214 * |
| ALAN ZHAN ET AL.: "Low-Contrast Dielectric Metasurface Optics", ACS PHOTONICS, vol. 3, no. 2, pages 209 - 214 * |
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