CN112018141B - 基于不同形状单元的微型光谱芯片 - Google Patents
基于不同形状单元的微型光谱芯片 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112018141B CN112018141B CN202010821286.5A CN202010821286A CN112018141B CN 112018141 B CN112018141 B CN 112018141B CN 202010821286 A CN202010821286 A CN 202010821286A CN 112018141 B CN112018141 B CN 112018141B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- micro
- layer
- light
- light modulation
- nano
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000002381 microspectrum Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 85
- 238000003491 array Methods 0.000 claims abstract description 41
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 157
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 24
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 18
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 17
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 11
- 150000003377 silicon compounds Chemical class 0.000 claims description 10
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 9
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 9
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 8
- 230000001788 irregular Effects 0.000 claims description 7
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 150000002291 germanium compounds Chemical class 0.000 claims description 5
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000001634 microspectroscopy Methods 0.000 claims description 2
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 claims description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 32
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 12
- 238000011084 recovery Methods 0.000 abstract description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 206010070834 Sensitisation Diseases 0.000 abstract 1
- 230000008313 sensitization Effects 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 16
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 4
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 3
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
- H01L27/14685—Process for coatings or optical elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/1462—Coatings
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明实施例提供一种基于不同形状单元的微型光谱芯片，包括：CIS晶圆，光调制层，光调制层包括设置在CIS晶圆的感光区域表面的若干个微纳结构单元，每个微纳结构单元包括多个微纳结构阵列，每个微纳结构单元中、不同微纳结构阵列是由不同形状的内部单元组成的二维光栅。本案中的每个微纳结构单元中、不同微纳结构阵列具有的内部单元形状不同，各组微纳结构阵列对不同波长光的调制作用不同，充分利用“形状”这个自由度，得到对入射光丰富的调制作用，提高了光谱恢复的精度，并且可以降低单元的尺寸；利用基于不同形状的内部单元的二维光栅结构，具有对入射光丰富的宽谱调制特性，实现对入射光频谱的高精度测量。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种基于不同形状单元的微型光谱芯片。
背景技术
现有的光谱仪需要通过分光元件将入射光的不同波长在空间上分开，再进行探测，而精密的分光元件通常体积较大，限制了光谱仪的小型化。此外，利用规则、重复形状单元的微纳结构阵列对入射光进行调制，再借助算法可以从探测器响应中恢复出入射光的频谱信息；然而，该方案采用规则形状单元，通过改变周期、占空比等参数，所能实现的宽谱调制函数有限，从而限制了光谱恢复的精度，而且难以进一步缩小器件的尺寸。因此，实现更高精度、更小尺寸的光谱芯片具有重要意义。
发明内容
本发明实施例提供一种基于不同形状单元的微型光谱芯片，用以解决现有技术中的光谱芯所能实现的宽谱调制函数有限，从而限制了光谱恢复的精度，而且难以进一步缩小器件的尺寸的问题，实现更高精度、更小尺寸的光谱芯片。
本发明实施例提供一种基于不同形状单元的微型光谱芯片，包括：CIS晶圆，光调制层，所述光调制层包括设置在所述CIS晶圆的感光区域表面的若干个微纳结构单元，每个微纳结构单元包括多个微纳结构阵列，每个微纳结构单元中、不同微纳结构阵列是由不同形状的内部单元组成的二维光栅。
根据本发明一个实施例的基于不同形状单元的微型光谱芯片，所述若干个微纳结构单元是相同的重复单元，位于不同微纳结构单元中相应位置处的微纳结构阵列相同，和/或，位于不同微纳结构单元中至少一个相应位置处无微纳结构阵列，和/或，每个所述微纳结构单元的尺寸为0.5μm2～40000μm2，和/或，每个所述微纳结构阵列的周期为20nm～50μm。
根据本发明一个实施例的基于不同形状单元的微型光谱芯片，每一个所述微纳结构单元内所包含的微纳结构阵列的个数是动态可调的；和/或，所述若干个微纳结构单元具有C4对称性。
根据本发明一个实施例的基于不同形状单元的微型光谱芯片，每个微纳结构阵列对应所述CIS晶圆上的一个或多个像素。
根据本发明一个实施例的基于不同形状单元的微型光谱芯片，还包括信号处理电路，所述信号处理电路通过电接触连接所述CIS晶圆。
根据本发明一个实施例的基于不同形状单元的微型光谱芯片，所述CIS晶圆包括光探测层和金属线层，所述光探测层设置在金属线层下方，所述光调制层集成在金属线层上，或，所述光探测层设置在金属线层上方，所述光调制层集成在光探测层上。
根据本发明一个实施例的基于不同形状单元的微型光谱芯片，当所述光探测层在金属线层上方时，光调制层是由CIS晶圆的光探测层上刻蚀制备的，且刻蚀深度为50nm～2μm。
根据本发明一个实施例的基于不同形状单元的微型光谱芯片，所述光调制层为单层、双层或多层结构，每层的厚度为50nm～2μm；所述光调制层的材料为硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属或III-V族材料中的至少一种，其中，硅的化合物包括氮化硅、二氧化硅、碳化硅中的至少一种，和/或，当所述光调制层为双层或多层时，其中至少一层不贯穿。
根据本发明一个实施例的基于不同形状单元的微型光谱芯片，所述光调制层和CIS晶圆之间设有透光介质层，所述透光介质层的厚度为50nm～2μm，透光介质层的材质为二氧化硅；在CIS晶圆上通过化学气相沉积、溅射或旋涂的方式制备所述透光介质层，然后在所述透光介质层上方进行光调制层的沉积、刻蚀，或，在透光介质层上制备出光调制层，再将透光介质层、光调制层转移到所述CIS晶圆上。
根据本发明一个实施例的基于不同形状单元的微型光谱芯片，所述微型光谱芯片集成有微透镜和/或滤光片；所述微透镜和/或滤光片设置在所述光调制层的上方或下方。
本发明实施例提供的基于不同形状单元的微型光谱芯片，每个微纳结构单元中、不同微纳结构阵列具有的内部单元形状不同，各组微纳结构阵列对不同波长光的调制作用不同，充分利用“形状”这个自由度，得到对入射光丰富的调制作用，提高了光谱恢复的精度，并且可以降低单元的尺寸；利用基于不同形状的内部单元的二维光栅结构，具有对入射光丰富的宽谱调制特性，实现对入射光频谱的高精度测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片的横向结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片的纵向结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的光调制层的横向结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的光调制层的横向结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的光调制层的横向结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的前照式CIS晶圆的纵向结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的背照式CIS晶圆的纵向结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的光调制层为单层光栅的纵向结构示意图；
图9是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的光调制层为单层光栅的纵向结构示意图；
图10是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的光调制层为多层光栅的纵向结构示意图；
图11是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的光调制层为多层光栅、其中一层不贯穿的纵向结构示意图；
图12是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的光调制层与背照式CIS晶圆的刻蚀纵向结构示意图；
图13是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片的横向结构示意图；
图14是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的光调制层的横向结构示意图；
图15是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片的纵向结构示意图；
图16是本发明实施例提供的一种多光谱图像采集的流程示意图；
图17是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的光调制层的横向结构示意图；
图18是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片的纵向结构示意图；
图19是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片的纵向结构示意图；
图20是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的光调制层的纵向结构示意图；
图21是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的光调制层的纵向结构示意图；
图22是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片中的CIS晶圆的纵向结构示意图；
图23是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片的纵向结构示意图；
图24是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片的纵向结构示意图；
图25是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片的纵向结构示意图；
图26是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片的纵向结构示意图；
图27是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片的纵向结构示意图；
图28是本发明实施例提供的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片的纵向结构示意图；
图29是本发明实施例提供的一种基于随机形状单元的微型光谱芯片中的随机产生的不规则形状的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1描述本发明实施例的一种基于不同形状单元的微型光谱芯片，包括：CIS晶圆2，光调制层1，所述光调制层1包括设置在所述CIS晶圆2的感光区域表面的若干个微纳结构单元，每个微纳结构单元包括多个微纳结构阵列，每个微纳结构单元中、不同微纳结构阵列是由不同形状的内部单元组成的二维光栅。
本发明的基于不同形状单元的高精度微型光谱芯片，其结构示意图如图1所示，包括光调制层1、CIS晶圆2和信号处理电路3。入射光经过光调制层1后，由CIS晶圆2转换成电信号，再由信号处理电路3进行处理输出。光调制层1包含多个重复的微纳结构单元，每个微纳结构单元由多组微纳结构阵列组成，每个微纳结构单元包含的阵列组数可以在8个以上，其整体尺寸为0.5μm2～40000μm2；每个微纳结构单元中、不同微纳结构阵列具有的内部单元形状不同，每个微纳结构阵列的周期大小为20nm～50μm，不同形状的内部单元对不同波长光的调制作用不同，每组微纳结构阵列与一个或多个CIS晶圆感光像素在垂直方向上相对应。入射光经过光调制层1后，受到单元内各组微纳结构阵列的调制，调制后的光信号强度由CIS晶圆2探测并转换成电信号，再由信号处理电路3进行处理，通过算法恢复得到入射光的频谱信息。光调制层1采用单片集成的方式设置在CIS晶圆上，本案利用基于不同形状单元的二维光栅结构，利用“形状”这个自由度，得到对入射光丰富的调制作用，提高了光谱恢复的精度，并且可以降低单元的尺寸。利用基于不同形状的内部单元的二维光栅结构，具有对入射光丰富的宽谱调制特性，实现对入射光频谱的高精度测量。将基于不同形状单元的光调制层与图像传感器单片集成，无分立元件，有利于提高器件的稳定性，极大促进成像光谱仪的小型化和轻量化，在小型平台如小卫星、无人机等上的应用有着广阔的前景。在晶圆级别实现单片集成，可以最大程度减小传感器与光调制层之间的距离，有利于缩小单元的尺寸，实现更高的光谱分辨率并降低封装成本。
从纵向上看，如图2所示，光调制层1中的每组微纳结构阵列是基于不同形状内部单元11的二维光栅，可以通过在CIS晶圆2上直接生长一层或多层介质或金属材料，再进行刻蚀，进行制备。通过改变11的几何形状，各组微纳结构阵列能够对目标范围内不同波长的光有不同的调制作用。光调制层1的厚度为50nm～2μm，光调制层1中的每组微纳结构阵列对应CIS晶圆2上一个或多个像素。光调制层1是直接在CIS晶圆2上制备的，CIS晶圆2和信号处理电路3之间通过电接触进行连接。本案从晶圆级别直接在CIS晶圆2上单片集成光调制层1，利用CMOS工艺一次流片即可完成该光谱芯片的制备。与传统光谱成像设备相比，本案将基于不同形状单元的光调制层1与CIS晶圆2单片集成，无分立元件，有利于提高器件的稳定性，降低器件的体积和成本。
光调制层1上刻有各种以不同形状结构为内部单元的二维光栅组成的微纳结构阵列，并对接收到的光进行调制，不同结构的调制作用不同。在横向上看，光调制层1可有以下三种方案：
方案一：
如图3所示，平板上有多个重复的微纳结构单元，例如11、22、33、44、55、66，每个单元由多组微纳结构阵列组成，不同单元中相同位置处的微纳结构阵列相同，例如微纳结构单元11包括的微纳结构阵列包括第一组具有第一形状的二维光栅110、第二组具有第二形状的二维光栅111、第三组具有第三形状的二维光栅112、第四组具有第四形状的二维光栅113；还例如微纳结构单元44包括的微纳结构阵列包括第一组具有第一形状的二维光栅440、第二组具有第二形状的二维光栅443、第三组具有第三形状的二维光栅442、第四组具有第四形状的二维光栅444；可以看出，不同微纳结构阵列的内部单元形状不同，同一个微纳结构阵列的组成二维光栅的内部单元的形状是相同的，内部单元实际上就是构成二维光栅的内部光栅单元。微纳结构单元内的每组微纳结构阵列对不同波长的光具有不同的调制作用，并且各组微纳结构之间对输入光的调制作用也不同，具体的调制方式包括但不限于散射、吸收、干涉、表面等离激元、谐振增强等。通过改变单元形状，使得光通过不同组的微纳结构后，对应的透射谱不同。每组微纳结构阵列下方有对应的传感器，光经过微纳结构阵列的调制作用后，由下方的光传感器探测到光强。每个单元与其下方的光传感器构成一个像素点，通过现有技术中的恢复算法可以得到每个像素点上的光谱信息，即各个波长的强度分布；多个像素点构成一幅包含光谱信息的图像。
方案二：
如图4所示，平板上有多个重复的微纳结构单元，例如11、22、33、44、55、66，每个单元包括多组不同微纳结构阵列，不同单元中相同位置的微纳结构阵列相同，每一组微纳结构阵列下方有对应的传感器。例如微纳结构单元11包括的微纳结构阵列包括第一组具有第一形状的光栅110、第二组具有第二形状的光栅111、第三组具有第三形状的光栅112、第四组113处为空；还例如微纳结构单元44包括的微纳结构阵列包括第一组具有第一形状的光栅440、第二组具有第二形状的光栅443、第三组具有第三形状的光栅442、第四组444处为空；可以看出，该方案采用的微纳结构阵列与方案一相同，所不同的是，其中有一组的位置无微纳结构，入射光直通，可用于该单元直通光强的标定。
方案三：
如图5所示，平板上有多个微纳结构单元如11、22、33、44、55、66、77、88，每个微纳结构单元包括多组不同微纳结构阵列，每一组微纳结构阵列下方有对应的传感器。该方案与方案一的区别在于，每一个微纳结构单元内包含的微纳结构阵列个数是动态可调的，例如图5左侧表示每个单元内包含9组微纳结构阵列，右侧则表示每个微纳结构单元内包含4组微纳结构阵列。每个微纳结构单元内包含的阵列数越多，光谱恢复精度越高，抗噪声性能越好，但光谱像素密度越低。这种动态组合方案可以实现光谱恢复精度与光谱像素密度之间的平衡。
根据不同的需求，CIS晶圆2的具体结构可以有两种可选方案：
方案一：
如图6所示，CIS晶圆2是前照式的，光探测层21在金属线层22下方，CIS晶圆上未集成微透镜和滤光片，光调制层1直接集成到金属线层22上。
方案二：
如图7所示，CIS晶圆2是背照式的，光探测层21在金属线层22上方，CIS晶圆上未集成微透镜和滤光片，光调制层1直接集成到光探测层21上。
在纵向上看，光调制层1可由一层或多层材料构成，以增加光调制层1对入射光的在频谱上的调制能力和采样能力，有利于提高光谱恢复精度。光调制层1在纵向上可以有以下四种方案：
方案一：
如图8所示，光调制层1单一材料的单层光栅结构，光栅单元为不同形状结构，厚度为50nm～2μm。具体材料可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属、III-V族材料等，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅、碳化硅等。
方案二：
如图9和图10所示，光调制层1可以由两层或多层材料构成，其中11、12、13均为不同材料，各层的厚度为50nm～2μm。具体材料可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属、III-V族材料等，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅、碳化硅等。
方案三：
如图11所示，光调制层1可以为多层或混合材料构成，其中11、12为不同材料，其中一层或多层可以不贯穿，图11中，12没有贯穿，各层的厚度为50nm～2μm。具体材料可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属、III-V族材料、硅和SiN的混溅材料等，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅、碳化硅等。
方案四：
如图12所示，光调制层1是在背照式CIS晶圆的光探测层21上直接刻蚀结构制备的，刻蚀深度为50nm～2μm。
以下结合具体实施例对本案的基于不同形状单元的微型光谱芯片进行进一步的说明。
实施例1：
如图13所示，光谱芯片包括光调制层1、CIS晶圆2和信号处理电路3。光调制层1直接在CIS晶圆上制备，其横向结构采用上述方案一，具体结构如图14、图15所示，光调制层1包含多个重复微纳结构单元，每个微纳结构单元内部划分为9组不同的微纳结构阵列110～118，各组微纳结构阵列是基于不同形状单元的光栅，光栅形状可以是圆形、圆环、多边形、十字形这些规则的形状或者其它一些预设的不规则形状，各组微纳结构阵列周期大小分别为20nm～50μm；各组微纳结构阵列对入射光具有不同的宽谱调制作用，不同微纳结构单元在相应位置处的微纳结构阵列相同，每个单元的整体尺寸为0.5μm2～40000μm2。光调制层1中的介质材料为多晶硅，厚度为50nm～2μm。
上述不规则形状可以是通过算法产生的随机形状，该算法的流程如下：首先对一个周期内的区域进行均匀网格划分，网格的大小可以灵活设置。然后，对网格上的各个格点按照一定的分布规律进行折射率的分配，通常选取标准正态分布进行分配，需要强调的是，这里分配的折射率只是一个数值，不代表真实材料的折射率。接着，对折射率分布进行图像的滤波平滑处理和二值化处理，此时得到的折射率分布中只有0和1两个数值，分别代表空气和介质。为了消除结构中的尺寸过小的部分，以便工艺制备，还需要进行模糊化处理，以及二值化处理，在最终生成的图像中，数值0和1分别表示空气和介质的区域，并且不会包含尺寸过小的结构，便于工艺加工。此外，还可以对产生的随机结构进行特定的限制。例如，若要求结构具有一定的对称性，可以在算法中对折射率分布进行对称化处理。并且，通过修改算法中的参数，能够对生成的随机形状的最小特征尺寸等特性进行调控。
图29给出了通过该算法产生的一些随机形状，其中的数字0和1分别表示空气和介质的区域。可以看到，该算法能够产生大量互不相同的不规则形状，从而能够对入射光产生丰富的调制作用，有利于提高光谱恢复精度。
CIS晶圆2的具体结构如图6所示，21是硅探测器层，22是金属线层，响应范围为可见到近红外波段；CIS晶圆是裸露的，未制备上拜尔滤光片阵列和微透镜阵列。每组微纳结构对应CIS晶圆2上的一个或多个光传感器单元。
对于多光谱图像采集的完整流程为：如图16所示，宽谱光源100照射到目标物体200上，然后反射光由光谱芯片300采集，或者目标物体直接向外辐射的光由光谱芯片300采集。每个微纳结构阵列与其下方的光传感器构成一个像素点，通过恢复算法可以得到每个像素点上的光谱信息，多个像素点构成一幅包含光谱信息的图像。光调制层1和CIS晶圆2都可以由半导体CMOS集成工艺制造，在晶圆级别实现单片集成，有利于减小传感器与光调制层之间的距离，缩小器件的体积，实现更高的光谱分辨率并降低封装成本。
实施例2：
如图17所示，实施例2与实施例1的主要区别在于横向结构，构成光调制层1的若干个微纳结构单元具有C4对称性，即结构旋转90°、180°或270°后，与原来不旋转时的结构重合，这样可以使得结构具有偏振无关的特性。
实施例3：
如图18所示，与实施例1的主要区别在于微型光谱芯片的纵向结构，在光调制层1和CIS晶圆2之间加入了一层透光介质层4，透光介质层4的厚度为50nm～2μm，材料可为二氧化硅。若为直接沉积生长的工艺方案，可在CIS晶圆上通过化学气相沉积、溅射、旋涂等方式制备该透光介质层，然后在其上方进行光调制层结构的沉积、刻蚀即可。若为转移的工艺方案，则可在二氧化硅上先进行微纳结构的制备，再将这两部分整体转移到CIS晶圆上。可以通过CMOS工艺一次流片完成对光谱芯片的制备，有利于降低器件失效率，提高器件的成品良率，并降低成本。
实施例4：
如图19所示，实施例4与实施例1的差别在于光调制层1中的光栅是部分刻蚀结构，其中的孔并未完全贯穿平板，而是具有一定深度。微纳结构的厚度为50nm～2μm，整个平板的厚度为100nm～4μm；并且，此结构也可在1和2之间加入透光介质层。
实施例5：
如图20所示，实施例5与实施例1的差别在于光调制层1为两层结构，11为硅层，12为氮化硅层，两层结构的厚度均为50nm～2μm；并且，此结构的下层材料也可采用未被贯穿的部分刻蚀结构，如图21所示。
实施例6：
如图22所示，与实施例1的差别在于CIS晶圆是背照式的，光探测层21在金属线层22上方，减少了金属线层对入射光的影响，提高了器件的量子效率。
实施例7：
本实施例7与实施例1的差别在于：光谱芯片集成了微透镜或滤光片或两者兼有。如图23和24所示，光谱芯片集成了微透镜4，微透镜可在光调制层的上方(图23)或下方(图24)；如图25和26所示，光谱芯片集成了滤光片5，滤光片可在光调制层的上方(图25)或下方(图26)；如图27和28所示，光谱芯片集成了微透镜4和滤光片5，其位置可在光调制层的上方(图27)或下方(图28)。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种基于不同形状单元的微型光谱芯片，其特征在于，包括：CIS晶圆，光调制层，所述光调制层包括设置在所述CIS晶圆的感光区域表面的若干个微纳结构单元，每个微纳结构单元包括多个微纳结构阵列，每个微纳结构单元中不同微纳结构阵列是由不同不规则形状的内部单元组成的二维光栅；所述不规则形状是通过算法产生的随机形状；所述若干个微纳结构单元是相同的重复单元，位于不同微纳结构单元中相应位置处的微纳结构阵列相同，和/或，位于不同微纳结构单元中至少一个相应位置处无微纳结构阵列，和/或，每个所述微纳结构单元的尺寸为0.5μm2～40000μm2，和/或，每个所述微纳结构阵列的周期为20nm～50μm；
所述算法的流程为：首先对一个周期内的区域进行均匀网格划分，然后对网格上的各个格点按照标准正态分布进行折射率的分配，以产生随机的不规则形状。
2.根据权利要求1所述的基于不同形状单元的微型光谱芯片，其特征在于，每一个所述微纳结构单元内所包含的微纳结构阵列的个数是动态可调的；和/或，所述若干个微纳结构单元具有C4对称性。
3.根据权利要求1所述的基于不同形状单元的微型光谱芯片，其特征在于，每个微纳结构阵列对应所述CIS晶圆上的一个或多个像素。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于不同形状单元的微型光谱芯片，其特征在于，还包括信号处理电路，所述信号处理电路通过电接触连接所述CIS晶圆。
5.根据权利要求1所述的基于不同形状单元的微型光谱芯片，其特征在于，所述CIS晶圆包括光探测层和金属线层，所述光探测层设置在金属线层下方，所述光调制层集成在金属线层上，或，所述光探测层设置在金属线层上方，所述光调制层集成在光探测层上。
6.根据权利要求5所述的基于不同形状单元的微型光谱芯片，其特征在于，当所述光探测层在金属线层上方时，光调制层是由CIS晶圆的光探测层上刻蚀制备的，且刻蚀深度为50nm～2μm。
7.根据权利要求1所述的基于不同形状单元的微型光谱芯片，其特征在于，所述光调制层为单层、双层或多层结构，每层的厚度为50nm～2μm；所述光调制层的材料为硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属或III-V族材料中的至少一种，其中，硅的化合物包括氮化硅、二氧化硅、碳化硅中的至少一种，和/或，当所述光调制层为双层或多层时，其中至少一层不贯穿。
8.根据权利要求1所述的基于不同形状单元的微型光谱芯片，其特征在于，所述光调制层和CIS晶圆之间设有透光介质层，所述透光介质层的厚度为50nm～2μm，透光介质层的材质为二氧化硅；在CIS晶圆上通过化学气相沉积、溅射或旋涂的方式制备所述透光介质层，然后在所述透光介质层上方进行光调制层的沉积、刻蚀，或，在透光介质层上制备出光调制层，再将透光介质层、光调制层转移到所述CIS晶圆上。
9.根据权利要求1所述的基于不同形状单元的微型光谱芯片，其特征在于，所述微型光谱芯片集成有微透镜和/或滤光片；所述微透镜和/或滤光片设置在所述光调制层的上方或下方。
Priority Applications (9)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010821286.5A CN112018141B (zh) | 2020-08-14 | 2020-08-14 | 基于不同形状单元的微型光谱芯片 |
| US17/423,414 US20220344381A1 (en) | 2020-08-14 | 2020-10-12 | Micro spectrum chip based on units of different shapes |
| PCT/CN2020/120409 WO2022032843A1 (zh) | 2020-08-14 | 2020-10-12 | 基于不同形状单元的微型光谱芯片 |
| US18/017,829 US20230326946A1 (en) | 2020-08-14 | 2021-08-03 | Miniature spectrum chip based on units of different shapes, and method for generating micro-nano structure array in miniature spectrum chip |
| PCT/CN2021/110237 WO2022033353A1 (zh) | 2020-08-14 | 2021-08-03 | 基于不同形状单元的微型光谱芯片以及其中的微纳结构阵列的生成方法 |
| KR1020237001985A KR20230025886A (ko) | 2020-08-14 | 2021-08-03 | 서로 다른 형상 유닛에 기반한 마이크로 스펙트럼 칩 및 그 마이크로 나노 구조 어레이의 생성 방법 |
| AU2021323773A AU2021323773A1 (en) | 2020-08-14 | 2021-08-03 | Miniature spectrum chip based on units of different shapes, and method for generating micro-nano structure array in miniature spectrum chip |
| EP21855406.1A EP4199092A4 (en) | 2020-08-14 | 2021-08-03 | MINIATURE SPECTRUM CHIP BASED ON UNITS OF DIFFERENT SHAPES, AND METHOD FOR GENERATING AN ARRAY OF MICRO-NANOSTRUCTURES IN A MINIATURE SPECTRUM CHIP |
| JP2023504407A JP2023535426A (ja) | 2020-08-14 | 2021-08-03 | 異なる形状のユニットに基づくマイクロスペクトルチップ及びマイクロスペクトルチップにおけるマイクロナノ構造アレイの生成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010821286.5A CN112018141B (zh) | 2020-08-14 | 2020-08-14 | 基于不同形状单元的微型光谱芯片 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112018141A CN112018141A (zh) | 2020-12-01 |
| CN112018141B true CN112018141B (zh) | 2023-11-28 |
Family
ID=73504581
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010821286.5A Active CN112018141B (zh) | 2020-08-14 | 2020-08-14 | 基于不同形状单元的微型光谱芯片 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20220344381A1 (zh) |
| CN (1) | CN112018141B (zh) |
| WO (1) | WO2022032843A1 (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4199092A4 (en) * | 2020-08-14 | 2024-02-21 | Univ Tsinghua | MINIATURE SPECTRUM CHIP BASED ON UNITS OF DIFFERENT SHAPES, AND METHOD FOR GENERATING AN ARRAY OF MICRO-NANOSTRUCTURES IN A MINIATURE SPECTRUM CHIP |
| CN116913937B (zh) * | 2023-08-25 | 2023-12-22 | 浙桂(杭州)半导体科技有限责任公司 | 图像传感器件及其光学调控方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5818066A (en) * | 1995-11-21 | 1998-10-06 | Thomson-Csf | Optoelectronic quantum well device having an optical resonant cavity and sustaining inter subband transitions |
| WO2006034561A1 (en) * | 2004-09-27 | 2006-04-06 | The State Scientific Institution 'institute Of Molecular And Atomic Physics Of The National Academy Of Science Of Belarus' | High-efficient small-aperture light converter |
| CN103969840A (zh) * | 2013-01-25 | 2014-08-06 | 中国科学技术大学 | 基于金属纳米光栅的微偏振片阵列及其制备方法 |
| CN106553993A (zh) * | 2015-09-28 | 2017-04-05 | 中国科学院微电子研究所 | 与cmos工艺兼容的纳米结构制备方法 |
| CN110346313A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-10-18 | 清华大学 | 一种光调制微纳结构、微集成光谱仪及光谱调制方法 |
| TW202024725A (zh) * | 2018-10-26 | 2020-07-01 | 美商菲爾薇解析公司 | 包括多個區域的光學元件 |
| CN111490060A (zh) * | 2020-05-06 | 2020-08-04 | 清华大学 | 光谱成像芯片及光谱识别设备 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7714368B2 (en) * | 2006-06-26 | 2010-05-11 | Aptina Imaging Corporation | Method and apparatus providing imager pixel array with grating structure and imager device containing the same |
| CN101858786B (zh) * | 2009-12-29 | 2012-09-26 | 南京邮电大学 | 相位调制台阶阵列微型光谱仪 |
| FR2994602B1 (fr) * | 2012-08-16 | 2014-09-12 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif de filtrage spectral dans les domaines visible et infrarouge |
| CN106847849B (zh) * | 2016-12-30 | 2019-01-15 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种基于超表面窄带滤光的多光谱芯片及其制备方法 |
| CN107894625A (zh) * | 2017-09-29 | 2018-04-10 | 扬中市恒海电子科技有限公司 | 一种集成式红外带通滤波器及其制造方法和光谱仪 |
| CN111886857A (zh) * | 2018-04-04 | 2020-11-03 | 索尼半导体解决方案公司 | 固态摄像器件 |
| FR3093377B1 (fr) * | 2019-03-01 | 2021-02-26 | Isorg | Capteur d'images couleur et infrarouge |
| CN110381243B (zh) * | 2019-07-31 | 2024-03-12 | 清华大学 | 一种图像采集芯片、物体成像识别设备及物体成像识别方法 |
| CN211627935U (zh) * | 2020-03-17 | 2020-10-02 | 清华大学 | 单片集成的图像传感芯片及光谱识别设备 |
| CN111505820A (zh) * | 2020-03-17 | 2020-08-07 | 清华大学 | 单片集成的图像传感芯片及光谱识别设备 |
-
2020
- 2020-08-14 CN CN202010821286.5A patent/CN112018141B/zh active Active
- 2020-10-12 US US17/423,414 patent/US20220344381A1/en active Pending
- 2020-10-12 WO PCT/CN2020/120409 patent/WO2022032843A1/zh active Application Filing
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5818066A (en) * | 1995-11-21 | 1998-10-06 | Thomson-Csf | Optoelectronic quantum well device having an optical resonant cavity and sustaining inter subband transitions |
| WO2006034561A1 (en) * | 2004-09-27 | 2006-04-06 | The State Scientific Institution 'institute Of Molecular And Atomic Physics Of The National Academy Of Science Of Belarus' | High-efficient small-aperture light converter |
| CN103969840A (zh) * | 2013-01-25 | 2014-08-06 | 中国科学技术大学 | 基于金属纳米光栅的微偏振片阵列及其制备方法 |
| CN105866873A (zh) * | 2013-01-25 | 2016-08-17 | 中国科学技术大学 | 基于金属纳米光栅的微偏振片阵列的制备方法 |
| CN106553993A (zh) * | 2015-09-28 | 2017-04-05 | 中国科学院微电子研究所 | 与cmos工艺兼容的纳米结构制备方法 |
| TW202024725A (zh) * | 2018-10-26 | 2020-07-01 | 美商菲爾薇解析公司 | 包括多個區域的光學元件 |
| CN110346313A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-10-18 | 清华大学 | 一种光调制微纳结构、微集成光谱仪及光谱调制方法 |
| CN111490060A (zh) * | 2020-05-06 | 2020-08-04 | 清华大学 | 光谱成像芯片及光谱识别设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20220344381A1 (en) | 2022-10-27 |
| WO2022032843A1 (zh) | 2022-02-17 |
| CN112018141A (zh) | 2020-12-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109659377B (zh) | 单光子雪崩二极管及制作方法、探测器阵列、图像传感器 | |
| US20240047494A1 (en) | Micro spectrum chip based on units of random shapes | |
| US20210273120A1 (en) | Photodetectors, preparation methods for photodetectors, photodetector arrays, and photodetection terminals | |
| CN111490060A (zh) | 光谱成像芯片及光谱识别设备 | |
| CN111505820A (zh) | 单片集成的图像传感芯片及光谱识别设备 | |
| CN112018141B (zh) | 基于不同形状单元的微型光谱芯片 | |
| US20060267121A1 (en) | Microlenses for imaging devices | |
| JP2014138142A (ja) | 固体撮像素子および撮像装置 | |
| JP6083538B2 (ja) | 集光装置、固体撮像素子および撮像装置 | |
| CN111811651A (zh) | 光谱芯片、光谱仪及光谱芯片制备方法 | |
| US20220149098A1 (en) | Microstructure enhanced absorption photosensitive devices | |
| CN112018139A (zh) | 光谱芯片中的微纳结构阵列的生成方法 | |
| TWI742841B (zh) | 半導體結構、影像感測器和半導體結構的形成方法 | |
| CN212721756U (zh) | 光谱芯片及光谱仪 | |
| KR20110090771A (ko) | 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법, 전자 기기 | |
| CN211627935U (zh) | 单片集成的图像传感芯片及光谱识别设备 | |
| CN211828773U (zh) | 光谱成像芯片及光谱识别设备 | |
| CN114927536B (zh) | 多光谱成像芯片、组件、制备方法及移动终端 | |
| WO2022033353A1 (zh) | 基于不同形状单元的微型光谱芯片以及其中的微纳结构阵列的生成方法 | |
| KR102413804B1 (ko) | 후면 조명 이미지 센서를 위한 후면 굴절층 및 그 형성 방법 | |
| US20240079421A1 (en) | Image sensor | |
| US20240053202A1 (en) | Polarimetric image sensor | |
| CN116454144A (zh) | 一种超表面阵列及单片集成超表面的雪崩焦平面芯片 | |
| CN114675360B (zh) | 一种导模共振窄带滤波单元结构及多光谱芯片 | |
| CN117410295A (zh) | 影像感测器及影像信号处理器的简化方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |