CN111180536A - 光电传感单元及其制备方法和光电传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了光电传感单元及其制备方法和光电传感器，该光电传感单元包括：基底；感光结构层，所述感光结构层设置所述基底上，且包括透明层和多个感光元件；其中，所述透明层包括相连的第一段和第二段，所述第一段与所述基底直接接触，所述第二段向远离所述基底且靠近所述第一段的方向卷曲，多个所述感光元件间隔设置在所述第二段朝向内侧的表面上，所述第二段朝向外侧的表面上具有多个向外侧凸起的凸起部，所述凸起部用于将外侧射入所述透明层的光向所述感光元件中会聚。该光电传感单元可以实现很大的感测入射光线角度，同时能够明显增强光的敏感度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体的，涉及光电传感单元及其制备方法和光电传感器。
背景技术
光电传感器在光通信、成像与探测等领域有着广泛应用。但目前的光电传感器(如CCD、CMOS)因尺寸限制其可感测入射光线角度(FOV)较小，在光线较弱的环境(如深海/夜晚)及全屏幕图像识别等对光线敏感性、FOV要求较高的场景应用受限。因而，目前的光电传感器仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种FOV较大、光敏感性较好的光电传感单元。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种光电传感单元。根据本发明的实施例，该光电传感单元包括：基底；感光结构层，所述感光结构层设置所述基底上，且包括透明层和多个感光元件；其中，所述透明层包括相连的第一段和第二段，所述第一段与所述基底直接接触，所述第二段向远离所述基底且靠近所述第一段的方向卷曲，多个所述感光元件间隔设置在所述第二段朝向内侧的表面上，所述第二段朝向外侧的表面上具有多个向外侧凸起的凸起部，所述凸起部用于将外侧射入所述透明层的光向所述感光元件中会聚。该光电传感单元可以实现很大的感测入射光线角度，同时能够明显增强光的敏感度。该光电传感单元中，通过设置卷曲的结构，使得感光元件可以感测各个方向的光线，从而实现很大的感测入射光线角度(FOV)，同时凸起部可以有效会聚光线，起到光强增强作用，进而能够明显增强光的敏感度，即使在光线较弱的环境(如深海/夜晚)及全屏幕图像识别等对光线敏感性、FOV要求较高的场景仍然可以很好地满足使用要求，且感测效果较佳。
根据本发明的实施例，所述凸起部为球体的一部分。
根据本发明的实施例，多个所述凸起部沿着所述第二段的卷曲方向成行分布。
根据本发明的实施例，包括多行所述凸起部，相邻两行所述凸起部中的多个所述凸起部交错设置。
根据本发明的实施例，所述基底包括：衬底；残余牺牲层，所述残余牺牲层设置在所述衬底的一个表面上，所述第一段与所述残余牺牲层直接接触。
根据本发明的实施例，所述透明层包括层叠设置的透明拉应力膜层和透明压应力膜层，所述透明拉应力膜层与所述基底直接接触，多个所述凸起部与所述透明拉应力膜层为一体结构。
根据本发明的实施例，所述透明层包括层叠设置的微透镜膜层、透明拉应力膜层和透明压应力膜层，所述微透镜膜层与所述基底直接接触，多个所述凸起部与所述微透镜膜层为一体结构。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种光电传感器。根据本发明的实施例，该光电传感器包括多个前面所述的光电传感单元。该光电传感器能够实现大视场(即FOV较大)，且光敏感性高，即使在较暗的环境下，依旧可以很好的发挥作用，可用在微型相机、全屏幕人脸/指纹识别及诸多新型显示领域。
根据本发明的实施例，相邻两个所述光电传感单元中的多个凸起部交错设置。
在本发明的又一方面，本发明提供了一种制作前面所述的光电传感单元的方法。根据本发明的实施例，该方法包括在基底上形成所述感光结构层。该方法步骤简单，操作容易，且得到的光电传感单元的FOV较大，且光敏感性较好。
根据本发明的实施例，该方法包括：在衬底上形成牺牲层；在所述牺牲层远离所述衬底的部分表面上形成多个凹坑；在所述牺牲层远离所述衬底的表面上形成感光结构层，所述感光结构层的一部分配合设置在所述凹坑中，以形成凸起部；去掉形成有所述凹坑的部分所述牺牲层，并使所述感光结构层中的透明层带动感光元件向远离所述衬底的方向卷曲。
附图说明
图1是本发明一个实施例中的光电传感单元的剖面结构示意图。
图2是本发明另一个实施例中的光电传感单元的剖面结构示意图。
图3是本发明另一个实施例中的光电传感单元的剖面结构示意图。
图4是本发明一个实施例的透明层朝向衬底的表面的平面结构示意图。
图5是本发明另一个实施例中的光电传感单元的剖面结构示意图。
图6是本发明一个实施例的感光元件的剖面结构示意图。
图7是本发明一个实施例的光电传感器的平面结构示意图。
图8是图7中A-A线的剖面结构示意图。
图9是本发明一个实施例的光电传感器的剖面结构示意图
图10是本发明一个实施例的制备光电传感单元的方法的流程示意图。
图11是本发明一个实施例的形成凹坑的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种光电传感单元。根据本发明的实施例，参照图1，该光电传感单元包括：基底10；感光结构层20，所述感光结构层20设置所述基底10上，且包括透明层21和多个感光元件22；其中，所述透明层20包括相连的第一段210和第二段220，所述第一段210与所述基底10直接接触，所述第二段220向远离所述基底10且靠近所述第一段210的方向卷曲，多个所述感光元件22间隔设置在所述第二段220朝向内侧的表面上，所述第二段220朝向外侧的表面上具有多个向外侧凸起的凸起部211，所述凸起部211用于将外侧射入所述透明层21的光100向所述感光元件22中会聚。该光电传感单元中，通过设置卷曲的结构，使得感光元件可以感测各个方向的光线，从而实现很大的感测入射光线角度(FOV)，同时凸起部可以有效会聚光线，起到光强增强作用，进而能够明显增强光的敏感度，即使在光线较弱的环境(如深海/夜晚)及全屏幕图像识别等对光线敏感性、FOV要求较高的场景仍然可以很好地满足使用要求，且感测效果较佳。
根据本发明的实施例，基底的具体种类没有特别限制，可以为常用的光电传感器的基底，例如可以为单晶硅衬底；进一步的，根据使用需要还可以在衬底上设置一些其他结构和部件，一些具体实施例中，参照图1，基底10可以包括衬底11和设置在所述衬底的一个表面上的残余牺牲层12，所述第一段210与所述残余牺牲层12直接接触。由此可以通过先形成牺牲层，然后去除与第二段直接接触的牺牲层来使得第二段220发生卷曲，制备工艺更易实现，其中，未被去除的牺牲层构成上述残余牺牲层。
根据本发明的实施例，上述牺牲层的材质可以为能通过湿法刻蚀去除的材料，具体可以为金属材料，包括但不限于铝、铜等。由此，材料来源广泛，易于通过湿法刻蚀去除，且刻蚀过程中更易控制。
根据本发明的实施例，为了更好且更方便地实现第二段的卷曲结构，透明层21可以包括层叠设置的透明拉应力膜层212和透明压应力膜层213，所述透明拉应力膜层212与所述基底10直接接触。具体的，具有相反应力的透明拉应力膜层和透明压应力膜层在释放牺牲层后在应力作用下可以自发卷曲，实现自组装的卷曲结构。其中，可以通过控制透明拉应力膜层和透明压应力膜层的厚度、形状等精确控制卷曲的直径和卷曲方向，具体的厚度、形状等参数均可以根据实际要得到的卷曲结构进行选择，在此不再一一赘述。
根据本发明的实施例，形成上述透明拉应力膜层和透明压应力膜层的材料可以为SiNx，由此，对可见光的透过率高，折射率可调，且现有工艺兼容性好，且材料来源广泛、易得，成本较低。
根据本发明的实施例，透明层上的凸起部可以利用上述双应力膜层(透明拉应力膜层和透明压应力膜层)直接构成，也可以在双应力膜层朝向外侧的表面上单独设置凸起部。
本申请的一些具体实施例中，参照图2，多个所述凸起部211与所述透明拉应力膜层212为一体结构(即同步形成，且连接在一起)。本申请的另一些具体实施例中，参照图3，所述透明层21包括层叠设置的微透镜膜层214、透明拉应力膜层212和透明压应力膜层213，所述微透镜膜层214与所述基底10直接接触，多个所述凸起部211与所述微透镜膜层214为一体结构。其中，形成微透镜层的材料可以为任意合适的透明材料，具体可以为SiNx等。
根据本发明的实施例，凸起部相当于具有会聚光作用的透镜，只要能够有效将外侧射入透明层的光向感光元件会聚即可。具体的，凸起部朝向外侧的表面可以构造为中间高、四周低的曲面，进一步的，所述凸起部为球体的一部分。由此，会聚光线的效果更佳，利于提高光敏感性。
根据本发明的实施例，透明层的厚度、凸起部的尺寸等均可以根据会聚光线的效果进行灵活调整。一些具体实施例中，凸起部会聚的光线的焦点落在感光元件中的光敏层上。由此，可以明显提高光电传感单元的光敏感性，即使在光线较暗的环境下依然能够很好的工作。
根据本发明的实施例，参照图3，多个所述凸起部可以沿着所述第二段的卷曲方向成行分布。由此，可以将各个不同方向的光线100向感光元件会聚，大大提高光电传感单元的FOV。进一步的，参照图4和图5(其中虚线所示感光元件为位于实线所示感光元件里侧(垂直直面向内)的感光元件)，第二段220朝向外侧的表面上设有多行所述凸起部211，相邻两行所述凸起部中的多个所述凸起部211交错设置(即相邻两行中的凸起部在与行方向垂直的方向上不对齐)。由此，能够收集更多方向的光线，从而进一步增大光电传感单元的FOV。
根据本发明的实施例，感光元件和凸起部的对应位置关系没有特别限制，一些具体实施例中，可以多个凸起部与一个感光元件对应设置，即多个凸起部将光线会聚到一个感光元件上。另一些具体实施例中，参照图5，也可以是凸起部和感光元件一一对应设置，即每个凸起部将光线会聚到一个感光元件上。
根据本发明的实施例，感光元件的具体种类没有特别限制，可以为任何能够将光信号转换为电信号的器件。一些具体实施例中，参照图6，感光元件包括栅极221、设在栅极一侧的栅介质层222、设在栅介质层远离栅极一侧的光敏层223、设在光敏层远离栅极一侧的源极224和漏极225。其中，栅极、源极和漏极可以为金属电极，栅介质层可以为无机绝缘层，具体如氧化硅、氮化硅层等，而光敏层可以为石墨烯层。进一步的，处于方便制备的考虑，多个感光元件中的光敏层可以一体结构，多个感光元件中的栅极也可以为一体结构。当然可以理解，相对于非一体结构，光敏层和栅极为一体结构时光电传感单元的灵敏度会在一定程度上降低，实际应用中，可以根据实际需要进行选择，当对灵敏度要求较高时，可以选择光敏层和栅极为非一体结构，而对灵敏度要求不是很高时，为了便于制备可以选择光敏层和栅极为一体结构。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种光电传感器。根据本发明的实施例，参照图7和图8，该光电传感器包括多个前面所述的光电传感单元200。该光电传感器能够实现大视场(即FOV较大)，且光敏感性高，即使在较暗的环境下，依旧可以很好的发挥作用，可用在微型相机、全屏幕人脸/指纹识别及诸多新型显示领域。
根据本发明的实施例，多个光电传感单元的分布方式没有特别限制，可以随机间隔分布，也可以呈阵列分布。一些具体实施例中，参照图9，相邻两个所述光电传感单元1和2中的多个凸起部211交错设置(即在两个所述光电传感单元的分布方向上该相邻两个光电传感单元中的凸起部不对齐)。由此，该光电传感器的FOV更大。
在本发明的又一方面，本发明提供了一种制作前面所述的光电传感单元的方法。根据本发明的实施例，该方法包括在基底上形成所述感光结构层。该方法步骤简单，操作容易，且得到的光电传感单元的FOV较大，且光敏感性较好。
根据本发明的实施例，参照图10，该方法包括：在衬底11上形成牺牲层13；在所述牺牲层13远离所述衬底的部分表面上形成多个凹坑131；在所述牺牲层13远离所述衬底11的表面上形成感光结构层20，所述感光结构层20的一部分配合设置在所述凹坑131中，以形成凸起部211；去除形成有所述凹坑的部分所述牺牲层，并使所述感光结构层20中的透明层21带动感光元件22向远离所述衬底11的方向卷曲。该方法中创新性的使用牺牲层做凸起部的制作模板，在制作感光元件的同时完成凸起部的制作，简化了步骤，节省了人力物力和制备时间。
根据本发明的实施例，牺牲层、感光结构层等均可以通过物理气相沉积方法或者化学气相沉积方法以及光刻工艺形成，如等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)等，具体可以先沉积形成整层结构，然后通过光刻工艺对整层结构进行图案化处理；也可以先利用光刻胶形成图案化的遮蔽层，然后沉积形成整层结构，并去除图案化的遮蔽层，遮蔽层上的沉积膜层被遮蔽层带走，从而得到图案化的层结构。
根据本发明的实施例，参照图11，形成凹坑可以包括：在牺牲层远离衬底11的表面上形成光刻胶层14，利用掩膜版对光刻胶层进行曝光，并进行显影，以在光刻胶层中形成开口141，然后对开口141暴露的牺牲层表面进行刻蚀，形成凹坑131，然后玻璃光刻胶层14。
根据本发明的一些实施例，形成感光结构层可以包括：通过PECVD方法依次形成透明拉应力膜层和透明压应力膜层，可以根据需要选择是否对透明拉应力膜层和透明压应力膜层进行图案化。具体的，可以通过调整PECVD方法的频率实现具有拉应力和压应力的膜层。该双应力膜层具有相反的应力，随着牺牲层的去除，双应力膜层可以在应力作用下逐渐卷曲，实现自组装卷曲结构。根据本发明的另一些实施例，形成感光结构层可以包括：通过PECVD方法依次形成微透镜膜层、透明拉应力膜层和透明压应力膜层，其中，透明拉应力膜层和透明压应力膜层均与前述一致，在此不再一一赘述。
根据本发明的实施例，形成感光元件可以包括：在透明层远离衬底的表面上依次形成栅极、栅介质层、光敏层、源极和漏极的步骤。其中，栅极、栅介质层、源极和漏极可以通过构图工艺形成(即先形成整层结构，然后通过光刻对整层结构进行图案化处理)，且源极和漏极可以通过一次构图工艺形成。而光敏层可以通过转移工艺制备。具体步骤和参数均可参照常规工艺进行，在此不再一一赘述。
根据本发明的实施例，去除牺牲层可以通过湿法刻蚀进行。具体的，在去除牺牲层之前，可以在前面步骤得到的产品的表面上形成光刻胶层，并在光刻胶层上通过曝光和显影形成开口，开口位于透明层的第二段远离第一段的外侧，然后向开口中滴加刻蚀液对牺牲层进行刻蚀，随着牺牲层从第二段向第一段的方向逐渐被刻蚀，第二段逐渐卷曲。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (11)
1.一种光电传感单元，其特征在于，包括：
基底；
感光结构层，所述感光结构层设置所述基底上，且包括透明层和多个感光元件；
其中，所述透明层包括相连的第一段和第二段，所述第一段与所述基底直接接触，所述第二段向远离所述基底且靠近所述第一段的方向卷曲，多个所述感光元件间隔设置在所述第二段朝向内侧的表面上，所述第二段朝向外侧的表面上具有多个向外侧凸起的凸起部，所述凸起部用于将外侧射入所述透明层的光向所述感光元件中会聚。
2.根据权利要求1所述的光电传感单元，其特征在于，所述凸起部为球体的一部分。
3.根据权利要求1所述的光电传感单元，其特征在于，多个所述凸起部沿着所述第二段的卷曲方向成行分布。
4.根据权利要求3所述的光电传感单元，其特征在于，包括多行所述凸起部，相邻两行所述凸起部中的多个所述凸起部交错设置。
5.根据权利要求1所述的光电传感单元，其特征在于，所述基底包括：
衬底；
残余牺牲层，所述残余牺牲层设置在所述衬底的一个表面上，所述第一段与所述残余牺牲层直接接触。
6.根据权利要求1所述的光电传感单元，其特征在于，所述透明层包括层叠设置的透明拉应力膜层和透明压应力膜层，所述透明拉应力膜层与所述基底直接接触，多个所述凸起部与所述透明拉应力膜层为一体结构。
7.根据权利要求1所述的光电传感单元，其特征在于，所述透明层包括层叠设置的微透镜膜层、透明拉应力膜层和透明压应力膜层，所述微透镜膜层与所述基底直接接触，多个所述凸起部与所述微透镜膜层为一体结构。
8.一种光电传感器，其特征在于，包括多个权利要求1-7中任一项所述的光电传感单元。
9.根据权利要求8所述的光电传感器，其特征在于，相邻两个所述光电传感单元中的多个凸起部交错设置。
10.一种制作权利要求1-7中任一项所述的光电传感单元的方法，其特征在于，包括在基底上形成所述感光结构层。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成牺牲层；
在所述牺牲层远离所述衬底的部分表面上形成多个凹坑；
在所述牺牲层远离所述衬底的表面上形成感光结构层，所述感光结构层的一部分配合设置在所述凹坑中，以形成凸起部；
去掉形成有所述凹坑的部分所述牺牲层，并使所述感光结构层中的透明层带动感光元件向远离所述衬底的方向卷曲。
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