CN111712921A - 用于可见光和紫外光检测的半导体光学传感器及其对应的制造过程 - Google Patents

用于可见光和紫外光检测的半导体光学传感器及其对应的制造过程 Download PDF

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Abstract

半导体光学传感器(1)设置有：衬底(2)，集成有多个光电检测器有源区域(4)；以及CMOS层堆叠(6)，布置在衬底(2)上并且包括多个介电(6a)层和导电(6b)层。UV转换区域(10)布置在多个第一光电检测器有源区域(4)上方，以将UV光辐射转换为朝向第一光电检测器有源区域(4)的可见光辐射，使得第一光电检测器有源区域(4)被设计为检测UV光辐射。特别地，在光学传感器(1)的光电检测单元(16)的阵列(15)中，第一光电检测器有源区域(4)与被设计为检测可见光辐射的多个第二光电检测器有源区域(4)交替，从而限定以相同空间分辨率对UV光辐射和可见光辐射两者敏感的单个图像检测区域(15’)。

Description

用于可见光和紫外光检测的半导体光学传感器及其对应的制 造过程
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2017年12月12日提交的意大利专利申请No.102017000143176的优先权，其全部公开通过引用合并于此。
技术领域
本解决方案涉及一种能够检测可见光和紫外光辐射两者的半导体光学传感器以及涉及一种对应的制造过程。特别地，以下公开将参考基于互补金属-氧化物-半导体(CMOS)技术的半导体光学传感器。
背景技术
众所周知，在太空、医疗或消费电子领域有若干应用，其中需要检测可见光辐射(波长在380-780nm的范围内)和紫外-UV光辐射(波长小于380nm)两者。
例如，所谓的“UV指数”的检测是在便携式电子设备中实现的特征，以评估外部环境中的UV辐射量，并且相同的便携式电子设备还可以设置有可见光图像传感器，以捕获照片或视频。
还已知UV检测造成许多问题。
特别地，UV光辐射的吸收深度非常小(几纳米)，使得一部分辐射在到达其有源检测区域之前被吸收在光学传感器的结构中，因此不会带来信号的改变以及导致量子效率-QE-损耗。
标准光学传感器的结构中的绝缘层(例如氮化硅层)，在UV范围内可能具有一定的吸收，再次导致QE性能变差。这可能建议使用不带钝化层的传感器，但是不带钝化层确定较差的可靠性。
此外，直接入射在硅衬底上的UV辐射可能导致损坏(并因此导致可靠性问题)，并且导致缺陷密度的增加(即，氢从悬挂键解吸)或介电层的充电。
因此，建议使用合适的材料层，该材料能够将UV光辐射转换为可见光辐射，然后可以通过在可见光波长范围内操作的传统检测结构来检测该可见光。
例如，e2V技术的“关于UV转换涂层：路玛近(Lumogen)的技术说明”示出，可以通过提供由可以吸收UV光(具有比可见光更高的能量)并将UV光转换为更长波长或更低能量的可见辐射的材料制成的UV转换涂层，增强光谱的紫外(UV)区域中的前照明电荷耦合器件(CCD)的性能；这些材料称为荧光粉。已经发现，这些材料可以被较高能量(较短波长)的光激发而发射较低能量(较长波长)的光。这就是这些材料也被称为“下转换材料”的原因。特别地，讨论了使用一种称为路玛近(Lumogen)的有机荧光粉，也称为Lumilux、Liumogen和Lumigen。吸收的UV辐射导致路玛近荧光粉在500-650nm的光谱带中发射，具有高的QE因子。
通常，用于可见光和紫外光检测的电子设备包括两个不同且分离的光学传感器，其分别用于检测可见光辐射和UV光辐射。每个光学传感器被优化用于检测入射光辐射的相应波长范围，并在半导体材料的相应管芯或芯片中制造。
然而，例如在便携式或移动设备的领域中，期望实现能够执行可见光和UV光检测两者的单个芯片，以便减少占用面积和制造成本，并且以便降低功耗。
US 2016/0142660 A1公开了一种用于将可见光和UV光两者检测能力集成到单个芯片中的解决方案。
如图1中示意性所示，在US 2016/0142660 A1中公开的图像传感器100包括半导体衬底110，该半导体衬底110被划分为集成可见光图像传感器120的可见光部分和集成UV传感器130的分离且不同的UV部分。
在衬底110上的可见光和UV部分两者中形成多个传感器单元，多个传感器单元中的每一个包括对可见光敏感的光电检测器。
单芯片图像传感器包括位于UV部分中的UV涂层，该涂层将UV光转换为可见光，使得在UV部分中形成的传感器单元能够感测UV光辐射，而在可见光部分形成的传感器单元仍可以感测可见光辐射。
与包括可见光图像传感器模块和分离的UV传感器模块在内的解决方案相比，US2016/0142660 A1中讨论的解决方案更紧凑并且更具成本效益。
然而，本申请人已经意识到该解决方案仍然不能令人满意。特别地，该解决方案不允许同时且以相同的空间分辨率检测包含可见光和UV光两者信息的单个图像。
实际上，在以上讨论的解决方案中，UV光传感器和可见光传感器区域占据相同芯片的分离且不同的区域，因此不允许以相同的空间分辨率用信号频谱的两个范围重建单个图像。
发明内容
本解决方案的目的是提供一种改进的光学传感器，允许克服已知解决方案的上述限制。
根据本解决方案，因此提供了如所附权利要求中所限定的半导体光学传感器和对应的制造过程。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例并参考附图来描述其优选实施例，在附图中：
-图1是已知的单芯片光学传感器的示意图；
-图2是根据本解决方案的第一实施例的半导体光学传感器的截面；
-图3是图2的光学传感器的自顶向下示意图；
-图4A至图4D是图2的光学传感器在对应制造过程的后续步骤中的截面；
-图5是根据本解决方案的另一方面的半导体光学传感器的截面；
-图6是根据本解决方案的第二实施例的半导体光学传感器的截面；
-图7A至图7D是图6的光学传感器在对应制造过程的后续步骤中的截面；以及
-图8是根据本解决方案的另一方面的半导体光学传感器的截面。
具体实施方式
如以下将详细讨论的，本解决方案的一个方面提供了一种单芯片光学或图像传感器，其在半导体材料的相同管芯中设置有可见光检测能力和UV检测能力两者。光学传感器包括感测单元阵列，在单个检测区域中UV检测单元和可见光检测单元两者交替，使得该管芯不仅同时实现UV和可见光辐射的检测，而且以相同的空间分辨率实现UV和可见光辐射的检测。
图2示出了根据本解决方案的第一实施例的光学传感器1，其示例性地涉及由CMOS半导体技术制成的正面照明(FSI)光电检测器。
光学传感器1包括半导体材料(特别是硅)的衬底2，其具有前表面2a和后表面2b，这里限定光学传感器1的第一外表面。
在衬底2中形成多个光电检测器有源区域4，在衬底2的第一表面2a处，每个光电检测器有源区域4限定光电检测器的相应光电检测单元(所谓的“像素”)的光电检测区域。光电检测器有源区域4是与衬底2的掺杂类型相反的掺杂类型的掺杂区，并且可以例如经由掺杂剂的注入或扩散来形成。光电检测器有源区域4以阵列图案布置在衬底2中。
方便地，可以将光电检测器有源区域4设计为限定光电二极管、光电晶体管或光敏电阻器有源区域。碰撞在光电检测器有源区域4上的光子被转换成电荷载流子，其产生与入射光强度成比例的输出电信号。
例如，光电二极管有源区域以最简单的形式实现为p-n(或n-p)结，其被配置为使得n(或p)有源区域从电荷载流子(例如电子/空穴对)耗尽，因此入射光子生成由光电二极管的耗尽区域收集的电子/空穴对。众所周知，也可以方便地形成pnp(或npn)结。
由合适的金属材料制成的光电检测单元的栅极区域5形成在衬底2的前表面2a上，该栅极区域5布置在竖直地与两个相应的光电检测器有源区域4之间的分离区域相对应的位置中。
光学传感器1还包括CMOS堆叠6，该CMOS堆叠6包括多个堆叠的介电层6a(例如，由氧化硅制成)和导电层6b(例如，由金属材料制成)。在图2所示的示例中，示出了两个金属层，但是很明显可以提供不同数量的金属层。顶部介电层6a限定了堆叠6的与衬底2的前表面2a相对的外表面。
以未示出的方式，但是对于本领域技术人员而言将是清楚的，在CMOS堆叠6中形成导电通孔和互连，以限定朝向光电检测器有源区域4和朝向布置在堆叠6的外表面处的电接触焊盘(也未示出)的导电路径，使得可以向外部电气系统提供由光电检测器有源区域4生成的输出电信号。
在图2所示的实施例中，从顶部介电层6a朝向衬底2的前表面2a穿过堆叠6形成光通道区域(所谓的“光导管”)7，每个光通道区域布置在相应的光电检测器有源区域4上并且被配置为将光辐射引导向相应的光电检测器有源区域4。光导管7由对可见光辐射透明的合适材料(例如有机聚合物，例如硅氧烷聚合物)形成。
例如氮化硅的钝化层8形成在堆叠6上方，在由顶部介电层6a限定的堆叠6外表面上形成。
根据本解决方案的特定方面，光学传感器1还包括UV转换区域10，这里该UV转换区域10在钝化层8上形成，该UV转换区域10由能够将UV光辐射转换为可见光辐射的合适材料制成。UV转换区域10由浸有被设计为执行UV转换的荧光染料的有机材料形成。例如，有机材料可以是硅氧烷聚合物，例如Silecs SC-480，并且染料是荧光粉，例如路玛近。例如，可以吸收UV光并发射可见光的下转换材料的示例包括以上引用的路玛近、晕苯(Coronene)、AlQ3′、ZnS：Mn等。
UV转换区域10竖直地与一些光电检测器有源区域4的位置相对应布置，这些光电检测器有源区域4旨在执行UV光辐射的检测。
此外，在钝化层8上形成滤光器区域11，该滤光器区域11由对可见光辐射透明而对UV光辐射不透明的合适材料(例如，硅氧烷有机聚合物)制成。滤光器区域11可以仅对可见光谱的相应部分是透明的，因此实现RGB(红、绿和蓝)滤光器，其被设计为(以已知的方式，这里不详细讨论)过滤光辐射。
根据期望的阵列图案，滤光器区域11在钝化层8上与转换区域10交替；特别地，滤光器区域11竖直地与光电检测器有源区域4的位置相对应布置，这些光电检测器有源区域4旨在执行可见光辐射的检测。
光学传感器1因此包括在钝化层8上的盖层12，该盖层12由交替的转换区域10和滤光器区域11形成。
图3示出了均包括相应光电检测区域的光学传感器1的光电检测单元(或像素)16的阵列15的可能图案的自顶向下示意图。在这种情况下，阵列包括行和列，其中用于检测UV光辐射的像素与用于检测可见光辐射的相应颜色(红色“R”、绿色“Gr”或蓝色“B”)的像素交替。
要强调的是，用于UV和可见光辐射的交替像素的其他图案在阵列15中可以同样地设想，这对于本领域技术人员将是清楚的。例如，沿着阵列15的行和/或列，对UV光辐射敏感的每个像素可以与对可见光辐射敏感的两个或更多个像素交替。
在任何情况下，阵列15限定单个图像检测区域15’，其同时且以相同的空间分辨率对UV和可见光辐射两者敏感。
如图2所示，光学传感器1还可以包括微透镜单元18，其竖直地与相应的光电检测器有源区域4和光电检测器的像素相对应地布置在盖层12上，以便适当地(以已知的方式，这里不详细讨论)聚焦入射的电磁辐射并获得朝向光电检测器有源区域4的准直光束。
在操作期间，来自外部环境的光辐射(在以上图2中用20表示)经由微透镜单元18(如果存在)到达光学传感器1且特别是盖层12，并且穿过相同的盖层12，到达下面的光电检测器有源区域4。特别地，所有光电检测器有源区域4接收直接穿过滤光器区域11(可能实现RGB滤光器)或通过由UV转换区域10执行的下转换的可见光辐射，该UV转换区域10将UV光辐射转换成可见光辐射。
光电检测器有源区域4收集接收到的光子并生成对应的输出电信号，该输出电信号朝向在其外表面的电接触焊盘路由穿过CMOS堆栈6，以与外部处理系统通信。在可能的实施例中，比较在被转换材料覆盖的像素上和被吸收UV辐射且对可见光透明的材料覆盖的像素上收集到的信号，可以更准确地重建聚焦在传感器表面上的UV强度的分布。
如图4A所示，光学传感器1的制造过程首先设想在衬底2内形成光电检测器有源区域4，例如经由掺杂原子的扩散或注入。
然后，经由金属层的沉积和光刻图案化，在衬底2的前表面2a上形成栅极区域5；随后，如图4B所示，经由交替的介电层和金属层的沉积和图案化，形成包括堆叠的介电层6a和导电层6b的CMOS堆叠6。
然后，如图4C所示，穿过堆叠6形成光通道区域7；特别地，首先穿过CMOS堆叠6的各层到达衬底的前表面2a形成沟槽，并且经由可光学图案化材料的沉积(然后可光学图案化材料被移除到相同的沟槽外部)，相同的沟槽填充有对可见光透明的合适材料。如所示的示例，顶部介电层6a可以形成在光通道区域7上。
然后，如图4D所示，钝化层8经由沉积形成在CMOS叠层6上，并且盖层12形成在其上，其中，滤光器区域11与UV转换区域10交替。
特别地，可能的实施例可以设想使用分散在可光学图案化的有机材料层中的荧光染料，以在传感器阵列的一些像素的顶部上创建限定UV转换区域10的荧光材料的贴片。传感器阵列的其余像素使用透明材料或红色滤光器、绿色滤光器、蓝色滤光器覆盖。可以通过光刻工艺将有机材料层从光活性区域中移除。
然后可以在盖层12上形成微透镜单元18，从而获得图2所示的结果的结构。
如图5所示，所讨论的实施例也可以实现为由CMOS半导体技术制成的背面照明(BSI)光电检测器。
在这种情况下，再次在衬底的前表面2a上形成的CMOS堆叠6的外表面限定了光学传感器1的外表面。在这种情况下，钝化层8和盖层12形成在衬底2的后表面2b上，并且如果需要，微透镜单元18再次形成在盖层12上。
该实施例可提供以下优点：将来自外部环境的光辐射20引导向衬底2内的光电检测器有源区域4，最小化与金属线的相互影响。
参考图6，现在讨论本解决方案的第二实施例，其再次涉及正面照明光电检测器。
在该第二实施例中，这里用7′表示的光通道区域填充有能够将UV光辐射转换为可见光辐射的合适的材料，例如浸有荧光染料的有机材料，从而构成光学传感器1的UV转换区域10，这里集成在CMOS堆叠6内；有机材料可以是硅氧烷聚合物，其包含染料，例如荧光粉，如路玛近。
这里，穿过CMOS堆叠6到达衬底2的前表面2a，并且此外穿过钝化层8到达其外表面形成光通道区域7′。
在所示的实施例中，光通道区域7’竖直地与一些光电检测器有源区域4的位置相对应地形成，这些光电检测器有源区域4旨在执行UV光辐射的检测。与此相比，这里在旨在执行可见光辐射的检测的光电检测器有源区域4上没有形成光通道区域。
在这种情况下，透明区域11′形成在钝化层8上，根据期望的阵列图案与滤光器区域11交替。
特别地，在这种情况下，透明区域11′布置在竖直地与光通道区域7’相对应的位置，并且被设计为对于可见光辐射和UV光辐射两者的波长范围都是透明的；在滤光器区域11布置在竖直地与旨在执行可见光辐射的检测的光电检测器有源区域4相对应的位置上时，该滤光器区域11由对可见光辐射透明而对UV光辐射不透明的合适材料制成。
滤光器区域11可以仅对可见光谱的相应部分是透明的，因此实现RGB(红色、绿色和蓝色)滤光器，该滤光器被设计为(以已知的方式，这里不详细讨论)过滤光辐射。
在这种情况下，滤光器区域11和透明区域11′限定了布置在钝化层8上的光学传感器1的盖层12。
还在该第二实施例中，因此，光学传感器1包括光电检测单元(或像素)16的阵列15，其中在单个图像检测区域15’内，用于检测UV光辐射的像素与用于检测可见光辐射的像素交替，该单个图像检测区域15’同时并且以相同的空间分辨率对UV和可见光辐射两者敏感。
此外，光学传感器1可以再次包括布置在盖层12上的微透镜单元18，其竖直地与相应的光电检测器有源区域4和光电检测器的像素相对应。
如图7A所示，第二实施例的制造过程再次设想在衬底2内形成光电检测器有源区域4，例如经由掺杂原子的扩散或注入。
然后，经由金属层的沉积和光刻图案化，在衬底2的前表面2a上形成栅极区域5；随后，经由交替的介电层和金属层的沉积和图案化，形成包括堆叠的介电层6a和导电层6b的CMOS堆叠6。然后，如图7B所示，在CMOS堆叠6上形成钝化层8。
如图7C所示，穿过堆叠6和钝化层8形成光通道区域7′和对应的UV转换区域10，其竖直地与旨在执行UV光辐射的检测的光电检测器有源区域4的位置相对应。特别地，首先从钝化层8的外表面开始且到达衬底2的前表面2a穿过CMOS堆叠6和钝化层8形成沟槽，然后经由可光学图案化材料的沉积(可光学图案化材料被移除到相同的沟槽外部)，相同的沟槽填充有被设计为将UV光辐射转换为可见光辐射的合适材料。
然后，如图7D所示，在钝化层8上形成具有交替的滤光器区域11和透明区域11’的盖层12。
然后可以在盖层12上形成微透镜单元18，从而获得图6所示的结构。
根据前述公开，所提出的解决方案允许实现的优点是清楚的。
在任何情况下，再次强调，所公开的解决方案与现有技术解决方案相比提供了许多改进，其中：
-从芯片上相同的聚焦图像开始重建UV和可见光的可能性，该相同的聚焦图像包含来自两个光谱范围的信息，并且具有相同的空间分辨率；
-更容易和更便宜的集成；
-更小的占用面积，导致系统更紧凑。
所公开的第二实施例可以是有利的，因为其允许在更深的有源区域上检测可见光，因为UV转换区域10分布在光通道区域7′的整个深度内。
半导体光学传感器1的制造过程通常需要在标准的CMOS制造工艺的BEOL或后端步骤有利地执行的附加步骤，因此不需要对常规工艺进行大量修改。
如果半导体光学传感器1被嵌入在如智能电话、平板电脑的移动设备内或通常为移动设备或手机中，则以上讨论的特征是特别有利的。实际上，所讨论的解决方案允许实现移动设备通常所需的低成本和小尺寸要求。
最后，应清楚，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以对本文已经描述和示出的内容做出修改和变化。
特别地，再次强调，关于被设计为检测可见光辐射的像素和被设计为检测UV辐射的像素的交替布置，可以在图像检测区域15′中的光学传感器1的阵列15中设想不同的图案。
此外，在图8所示的另一可能的实施例中，光通道区域7′可以设置在所有光电检测器有源区域4上，该实施例在其他方面类似于图6的第二实施例。
还应强调，所讨论的解决方案适用于正面照明传感器和背面照明传感器两者，并且适用于各种类型的光电检测器，其包括例如p-n结、p-i-n检测器或SPAD雪崩光电二极管。

Claims (18)

1.半导体光学传感器(1)，包括：
衬底(2)，集成多个光电检测器区域(4)；以及
CMOS层堆叠(6)，布置在衬底(2)上，并且包括多个介电层(6a)和导电层(6b)；
还包括：UV转换区域(10)，布置在多个第一光电检测器区域(4)上方并被配置为将UV光辐射转换为朝向所述第一光电检测器有源区域(4)的可见光辐射，所述第一光电检测器区域(4)从而被设计为限定用于UV光检测的第一光电检测单元(16)，
其中，所述第一光电检测器区域(4)与集成在所述衬底(2)中并被设计为限定用于可见光检测的第二光电检测单元(16)的多个第二光电检测器区域(4)交替，所述第一光电检测单元和第二光电检测单元形成所述光学传感器(1)的光电检测单元(16)的阵列(15)，共同限定了对UV光辐射和可见光辐射两者敏感的单个图像检测区域(15′)。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述UV转换区域(10)包括浸有荧光染料的有机材料，所述荧光染料被设计为执行UV转换。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述有机材料是能够吸收UV光并发射可见光辐射的下转换材料，选自以下：路玛近、晕苯、AlQ3′和ZnS：Mn。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，还包括：滤光器区域(11)，布置在所述第二光电检测器区域(4)上方并且由对可见光辐射透明而对UV光辐射不透明的材料制成。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述UV转换区域(10)在布置在所述第一光电检测器有源区域和第二光电检测器有源区域(4)上方的盖层(12)内与所述滤光器区域(11)交替。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中，CMOS堆叠(6)布置在所述衬底(2)的顶表面(2a)上，所述所述衬底(2)的顶表面(2a)与限定所述光学传感器(1)的外表面的所述衬底(2)的后表面(2b)相对；其中，所述盖层(12)布置在所述CMOS堆叠(6)的顶部介电层(6a)上方。
7.根据权利要求5所述的传感器，其中，所述CMOS堆叠(6)布置在所述衬底(2)的顶表面(2a)上，并且所述CMOS堆叠(6)的顶部介电层(6a)布置在所述光学传感器(1)的外表面处；其中，所述盖层(12)布置在所述衬底(2)的与所述前表面(2a)相对的后表面(2b)上方。
8.根据权利要求4所述的传感器，还包括：光通道区域(7′)，形成在从顶部介电层(6a)朝向所述衬底(2)的前表面(2a)穿过所述CMOS堆叠(6)的沟槽内，所述光通道区域(7′)包括被设计为限定集成在所述CMOS堆叠(6)内的所述UV转换区域(10)的材料；其中，所述光通道区域(7′)布置在相应的第一光电检测器区域(4)上，并且被配置为将光辐射引导向所述相应的第一光电检测器区域。
9.根据权利要求8所述的传感器，包括：透明区域(11′)，在布置在所述CMOS堆叠(6)的顶部介电层(6a)上方的盖层(12)内与所述滤光器区域(11)交替，所述透明区域(11′)被设计为对可见光和UV光辐射两者透明。
10.根据权利要求8或9所述的传感器，其中，所述光通道区域(7′)还布置在相应的第二光电检测器有源区域(4)上，并且被配置为将光辐射引导向所述相应的第二光电检测器有源区域(4)。
11.根据权利要求4至10中任一项所述的传感器，其中，所述滤光器区域(11)对可见光谱的相应部分是透明的，以实现被设计为过滤所述可见光辐射的RGB滤光器、红色滤光器、绿色滤光器和蓝色滤光器。
12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述单个图像检测区域(15′)被设计为同时并且以相同的空间分辨率对UV光辐射和可见光辐射两者敏感。
13.一种制造半导体光学传感器(1)的过程，包括：
提供衬底(2)；
在所述衬底(2)内形成多个光电检测器区域(4)；以及
形成布置在所述衬底(2)上并且包括多个介电层(6a)和导电层(6b)的CMOS层堆叠(6)；
还包括形成UV转换区域(10)，所述UV转换区域(10)布置在多个第一光电检测器区域(4)上方并且被配置为将UV光辐射转换为朝向所述第一光电检测器有源区域(4)的可见光辐射，所述第一光电检测器有源区域(4)从而被设计为限定用于UV光检测的第一光电检测单元(16)，
还包括在衬底(2)中集成多个第二光电检测器有源区域(4)，所述多个第二光电检测器有源区域(4)与所述第一光电检测器有源区域(4)交替并且被设计为限定用于可见光检测的第二光电检测单元(16)，所述第一光电检测单元和第二光电检测单元形成所述光学传感器(1)的光电检测单元(16)的阵列(15)，共同限定对UV光辐射和可见光辐射两者敏感的单个图像检测区域(15′)。
14.根据权利要求13所述的过程，其中，形成UV转换区域(10)包括沉积浸有荧光染料的有机材料，所述荧光染料被设计为执行UV转换。
15.根据权利要求13或14所述的过程，还包括形成布置在所述第二光电检测器区域(4)上方的滤光器区域(11)，所述滤光器区域(11)由对可见光辐射透明而对UV光辐射不透明的材料制成。
16.根据权利要求15所述的过程，其中，形成所述UV转换区域(10)和所述滤光器区域(11)包括：沉积其中分散有荧光染料的能够光学图案化的有机材料层，以创建限定所述UV转换区域(10)的荧光材料的贴片。
17.根据权利要求13所述的过程，还包括：
在从顶部介电层(6a)朝向所述衬底(2)的前表面(2a)穿过CMOS堆叠(6)的沟槽内形成光通道区域(7′)；以及
使用被设计为限定集成在所述CMOS堆叠(6)中的所述UV转换区域(10)的材料填充所述光通道区域(7′)；其中，所述光通道区域(7′)均布置在相应的第一光电检测器区域(4)上，并且被配置为将光辐射引导向所述相应的第一光电检测器区域。
18.根据权利要求17所述的过程，包括在盖层(12)内形成与所述滤光器区域(11)交替的透明区域(11′)，所述盖层(12)布置在所述CMOS堆叠(6)的顶部介电层(6a)上方，所述透明区域(11’)被设计为对可见光和UV光辐射透明。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116544256A (zh) * 2023-07-05 2023-08-04 苏州多感科技有限公司 光学传感器及成像设备

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11538946B1 (en) * 2021-07-04 2022-12-27 HillBerry GAT LTD. Deep ultraviolet and infrared silicon sensor module
US20230065240A1 (en) * 2021-08-25 2023-03-02 The United States of America As Represented By The Director Of The National Geospatial-Intelligence Method and apparatus for the display of volumetric solids using distributed photochromic compounds
KR20230122314A (ko) 2022-02-14 2023-08-22 전북대학교산학협력단 자외선 광 검출기

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110180688A1 (en) * 2010-01-22 2011-07-28 Rohm Co., Ltd. Photoelectric converter and process for producing the same and solid state imaging device
CN102315234A (zh) * 2010-07-06 2012-01-11 索尼公司 固体摄像器件及其制造方法、固体摄像装置和摄像装置
US20130134537A1 (en) * 2011-11-30 2013-05-30 Sony Corporation Solid-state imaging device and manufacturing method therefor, electronic apparatus, and composition for solid-state imaging device
JP2016021488A (ja) * 2014-07-14 2016-02-04 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体撮像素子
US20160142660A1 (en) * 2014-09-12 2016-05-19 Cista System Corp. Single chip image sensor with both visible light image and ultraviolet light detection ability and the methods to implement the same
KR20160123000A (ko) * 2015-04-15 2016-10-25 (주)실리콘화일 씨모스 이미지센서, 그 제조방법 및 이를 구비한 카메라 모듈

Family Cites Families (47)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU1833597A (en) * 1996-01-22 1997-08-22 California Institute Of Technology Active pixel sensor array with electronic shuttering
US5990506A (en) 1996-03-20 1999-11-23 California Institute Of Technology Active pixel sensors with substantially planarized color filtering elements
JP3003597B2 (ja) * 1996-11-18 2000-01-31 日本電気株式会社 固体撮像素子
JP4310093B2 (ja) * 2002-10-09 2009-08-05 キヤノン株式会社 固体撮像素子の製造方法
US8139131B2 (en) * 2005-01-18 2012-03-20 Panasonic Corporation Solid state imaging device and fabrication method thereof, and camera incorporating the solid state imaging device
US7541596B2 (en) * 2006-07-05 2009-06-02 Omnivision Technologies, Inc. Method and apparatus for increasing light absorption in an image sensor using energy conversion layer
WO2008071850A2 (en) * 2006-12-13 2008-06-19 Silecs Oy Novel nanoparticle containing siloxane polymers
JP2009081297A (ja) * 2007-09-26 2009-04-16 Fujifilm Corp 撮像装置
KR101411548B1 (ko) * 2007-11-05 2014-07-07 삼성전자주식회사 이미지 센서, 컬러 필터 어레이, 및 촬상 장치
US9419035B2 (en) * 2008-02-11 2016-08-16 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor with color pixels having uniform light absorption depths
US20100148291A1 (en) * 2008-12-15 2010-06-17 Tivarus Cristian A Ultraviolet light filter layer in image sensors
TWI481017B (zh) * 2009-07-02 2015-04-11 Hiok-Nam Tay 用於影像感測器之光導陣列
US8436423B2 (en) * 2010-01-21 2013-05-07 Roper Scientific, Inc. Solid state back-illuminated photon sensor
WO2011156507A1 (en) * 2010-06-08 2011-12-15 Edward Hartley Sargent Stable, sensitive photodetectors and image sensors including circuits, processes, and materials for enhanced imaging performance
JP5585232B2 (ja) * 2010-06-18 2014-09-10 ソニー株式会社 固体撮像装置、電子機器
JP5372102B2 (ja) * 2011-02-09 2013-12-18 キヤノン株式会社 光電変換装置および撮像システム
JP5713816B2 (ja) * 2011-03-16 2015-05-07 株式会社東芝 固体撮像装置及びカメラモジュール
JP2012227478A (ja) * 2011-04-22 2012-11-15 Panasonic Corp 固体撮像装置
JP4880794B1 (ja) * 2011-04-22 2012-02-22 パナソニック株式会社 固体撮像装置とその製造方法
JP2013004685A (ja) * 2011-06-15 2013-01-07 Canon Inc 固体撮像装置の製造方法
JP2013070030A (ja) * 2011-09-06 2013-04-18 Sony Corp 撮像素子、電子機器、並びに、情報処理装置
US9294691B2 (en) * 2011-09-06 2016-03-22 Sony Corporation Imaging device, imaging apparatus, manufacturing apparatus and manufacturing method
JP6060494B2 (ja) * 2011-09-26 2017-01-18 ソニー株式会社 撮像装置
US8742311B2 (en) * 2012-02-27 2014-06-03 Omnivision Technologies, Inc. Enhanced pixel cell architecture for an image sensor having a direct output from a buried channel source follower transistor to a bit line
US20130256822A1 (en) * 2012-03-28 2013-10-03 Omnivision Technologies, Inc. Method and device with enhanced ion doping
US20130293846A1 (en) * 2012-05-03 2013-11-07 Cheryl Nordstrom Method and apparatus for testing for color vision loss
US8878325B2 (en) * 2012-07-31 2014-11-04 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Elevated photodiode with a stacked scheme
US9609190B2 (en) * 2012-10-31 2017-03-28 Invisage Technologies, Inc. Devices, methods, and systems for expanded-field-of-view image and video capture
US10325947B2 (en) * 2013-01-17 2019-06-18 Semiconductor Components Industries, Llc Global shutter image sensors with light guide and light shield structures
JP2015005665A (ja) * 2013-06-21 2015-01-08 キヤノン株式会社 撮像装置並びにその設計方法及び製造方法
US9667933B2 (en) * 2013-07-01 2017-05-30 Omnivision Technologies, Inc. Color and infrared filter array patterns to reduce color aliasing
JP6260006B2 (ja) * 2013-07-30 2018-01-17 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 撮像装置、並びにそれを用いた撮像システム、電子ミラーシステムおよび測距装置
US9674470B2 (en) * 2014-04-11 2017-06-06 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device, method for driving semiconductor device, and method for driving electronic device
JP6310312B2 (ja) * 2014-04-18 2018-04-11 キヤノン株式会社 光電変換素子およびその製造方法
KR102419715B1 (ko) * 2014-06-09 2022-07-13 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 촬상 장치
KR102328769B1 (ko) * 2014-06-20 2021-11-18 삼성전자주식회사 이미지 센서와 이를 포함하는 이미지 처리 시스템
TW202243228A (zh) * 2014-06-27 2022-11-01 日商半導體能源研究所股份有限公司 攝像裝置及電子裝置
KR20160100569A (ko) * 2015-02-16 2016-08-24 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치
US9635325B2 (en) * 2015-05-29 2017-04-25 Semiconductor Components Industries, Llc Systems and methods for detecting ultraviolet light using image sensors
JP2017011038A (ja) * 2015-06-18 2017-01-12 キヤノン株式会社 固体撮像装置の製造方法
US20170084650A1 (en) * 2015-09-22 2017-03-23 Qualcomm Incorporated Color filter sensors
WO2017159025A1 (ja) * 2016-03-15 2017-09-21 ソニー株式会社 光電変換素子および固体撮像装置
US20170374306A1 (en) * 2016-06-23 2017-12-28 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensor system with an automatic focus function
KR102577844B1 (ko) * 2016-08-09 2023-09-15 삼성전자주식회사 이미지 센서
JP2019041142A (ja) * 2017-08-22 2019-03-14 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 固体撮像素子、固体撮像素子の製造方法、及び電子機器
US10608036B2 (en) * 2017-10-17 2020-03-31 Qualcomm Incorporated Metal mesh light pipe for transporting light in an image sensor
KR102632442B1 (ko) * 2018-05-09 2024-01-31 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 전자 장치

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110180688A1 (en) * 2010-01-22 2011-07-28 Rohm Co., Ltd. Photoelectric converter and process for producing the same and solid state imaging device
CN102315234A (zh) * 2010-07-06 2012-01-11 索尼公司 固体摄像器件及其制造方法、固体摄像装置和摄像装置
US20130134537A1 (en) * 2011-11-30 2013-05-30 Sony Corporation Solid-state imaging device and manufacturing method therefor, electronic apparatus, and composition for solid-state imaging device
JP2016021488A (ja) * 2014-07-14 2016-02-04 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体撮像素子
US20160142660A1 (en) * 2014-09-12 2016-05-19 Cista System Corp. Single chip image sensor with both visible light image and ultraviolet light detection ability and the methods to implement the same
KR20160123000A (ko) * 2015-04-15 2016-10-25 (주)실리콘화일 씨모스 이미지센서, 그 제조방법 및 이를 구비한 카메라 모듈

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116544256A (zh) * 2023-07-05 2023-08-04 苏州多感科技有限公司 光学传感器及成像设备
CN116544256B (zh) * 2023-07-05 2023-10-10 苏州多感科技有限公司 光学传感器及成像设备

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019116266A1 (en) 2019-06-20
US20210193719A1 (en) 2021-06-24
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US11581350B2 (en) 2023-02-14
KR102666282B1 (ko) 2024-05-14
JP2021509544A (ja) 2021-03-25
KR20200120900A (ko) 2020-10-22
EP3724920B1 (en) 2022-05-11

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