CN112585766A - 使用米氏光电传感器的高信息含量成像 - Google Patents

使用米氏光电传感器的高信息含量成像 Download PDF

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Abstract

描述了一种米氏光电传感器。米氏光电传感器被配置为利用米氏散射来实现具有谐振的光电传感器。谐振基于米氏光电传感器的各种物理和材料性质。在一个示例中，米氏光电传感器包括具有一个或多个台面的半导体材料层。半导体材料的每个台面可以包括散射中心。散射中心是通过由折射率不同于半导体材料的材料至少部分地包围台面的半导体材料来形成的。邻接的折射率材料创建界面，该界面形成散射中心，并且在米氏谐振期间使自由载流子的生成局部化。可以制作到台面的一个或多个电接触部，以测量台面的电性质。

Description

使用米氏光电传感器的高信息含量成像
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年8月20日提交的美国临时申请号62/720,002的权益，其全部内容通过该引用并入。
政府权利说明
本发明是在美国国家科学基金会授予的联邦奖项标识号1660145下在政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
本公开总体上涉及一种光敏器件，并且更具体地涉及一种用于生成图像的光敏器件的阵列。
背景技术
常规的光电传感器以如下的尺寸尺度操作，其中与入射光相互作用的传感器元件远大于光的波长。例如，常规的光电传感器的尺寸为微米级，以感测可见波长的光。在这些尺寸处，斯涅尔(Snell)折射定律成立，并且光电传感器上的入射光的吸收遵循比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律。在设计光电传感器以使其物理尺寸最小化方面进行了很多尝试，但是所得到的传感器通常具有很多缺点。例如，当使用尺寸减小的光电传感器生成图像时，信噪比、动态范围、景深和焦深全都变差。因此，能够生成高质量图像的具有减小尺寸的光电传感器将是有益的。
发明内容
描述了米氏(Mie)光电传感器。相对于本文中描述的常规光电传感器技术，米氏光电传感器利用米氏散射来生成改善的光电流。米氏光电传感器包括诸如半导体或绝缘体的材料的基板(即，材料层)。该材料层具有第一折射率，并且包括半导体材料的台面。台面被配置为响应于电磁扰动(例如，入射光、x射线等)而在半导体材料内生成自由载流子。
米氏光电传感器还包括包围材料层的折射介质。折射介质可以具有复折射率。折射介质邻接台面并且形成界面，该界面具有跨该界面的不连续的折射率。附加地，折射介质限定电磁散射中心(例如，台面或台面的某个部分)，该电磁散射中心被配置用于经由在散射中心处的电磁扰动的米氏谐振和光学吸收，来生成自由载流子。
在一个示例实施例中，米氏光电传感器的折射轮廓描述如下：材料层具有第一折射率，半导体材料的台面具有第二折射率，并且折射介质具有第三折射率。折射介质的折射率一般是复折射率，并且跨台面与折射材料之间的边界可以是不连续的。在一个示例中，第三折射率小于第一折射率和第二折射率。在另一示例中，第一折射率与第二折射率相同。
在一个示例实施例中，半导体层的台面形成具有一组边界的几何形状(例如，矩形棱柱、立方体等)，该组边界邻接折射介质。因此，电磁散射中心形成在该形状的边界处或在该形状的边界内，使得电磁散射中心包括台面的半导体材料的某个部分(或全部)。
在一个示例实施例中，材料层包括硅，并且台面包括掺杂的硅。在另一示例实施例中，材料层包括二氧化硅，并且台面包括硅。其他示例实施例也是可能的。
散射中心的各种物理特性影响哪些电磁扰动被散射中心的材料吸收并且由此生成自由载流子。例如，台面的尺寸可以影响可以被散射中心吸收的电磁扰动的波长和极化。
米氏光电传感器还包括一个或多个电接触部，该一个或多个电接触部耦合到台面，并且被配置为感测响应于电磁扰动而在散射中心内生成的自由载流子。可能有接触部的几种示例配置。在第一示例中，电接触部中的第一接触部与台面形成欧姆接触，并且第二接触部与台面形成肖特基势垒。在第二示例中，第一接触部与台面形成欧姆接触，并且第二接触部与台面形成pn结。在第三示例中，第一接触部和第二接触部与半导体材料的台面形成欧姆接触。在这种情况下，米氏光电传感器包括在折射材料与半导体材料的台面之间的边界处的pn结。
米氏光电传感器以谐振方式操作，其中谐振基于本文中描述的因素中的任何因素。例如，电磁散射中心在谐振水平处吸收特定波长的电磁扰动，并且生成与谐振水平相对应的第一数量的自由载流子。附加地，电磁散射中心在非谐振水平处吸收不同波长的电磁扰动，并且生成与非谐振水平相对应的第二数量的自由载流子。在这种情形下，自由电子的第一数量大于自由电子的第二数量。
此外，如本文所述，米氏光电传感器被配置为使载流子生成局部化在散射中心中。也就是说，电磁散射中心中的电磁扰动的吸收高于半导体层和折射介质两者中的电磁扰动的吸收。例如，通过电磁散射中心中的电磁扰动的吸收生成的自由载流子的第一数量大于通过半导体层中的电磁扰动生成的载流子的第二数量。
附加地，米氏光电传感器可以连接到各种控制电子器件，以创建像素。多个像素可以彼此连接，以形成图像传感器。出于本文中描述的各种原因，包括利用米氏光电传感器创建的像素的图像传感器比其常规对应物更好地操作。
附图说明
本公开的实施例具有其他优点和特征，当结合附图时，根据以下详细描述和所附权利要求，这些优点和特征将更容易显而易见，在附图中：
图1A-1H示出了根据几个示例实施例的一系列谐振图。
图2示出了根据一个示例实施例的针对直线米氏光电传感器的吸收功率图。
图3A示出了根据一个示例实施例的米氏光电传感器的俯视图。
图3B示出了根据一个示例实施例的米氏光电传感器的侧视图。
图4示出了根据一个示例实施例的针对米氏光电传感器的电压响应图。
图5是根据一个示例实施例的电压多响应图。
图6示出了根据一个示例实施例的米氏光电传感器的截面场图600。
图7示出了根据一个示例实施例的米氏光电传感器。
图8是根据一个示例实施例的米氏光电传感器的截面场图。
图9示出了根据一个示例实施例的电压多响应图。
图10A-10C示出了根据一些示例实施例的米氏光电传感器的各种配置。
图11A-11E示出了根据各种示例实施例的包括一个或多个米氏光电传感器的图像传感器中的像素的几种不同配置。
附图仅出于说明的目的描绘了各种实施例。本领域技术人员将从以下讨论中容易地认识到，在不脱离本文中描述的原理的情况下，可以采用本文所示的结构和方法的替代实施例。
具体实施方式
I.引言
光电传感器阵列由如下表面构成，该表面包括多个像素，其中每个像素可以包括光电传感器和信号收集电子器件，信号收集电子器件通常与每个光电传感器近似地位于同一位置。每个像素通过以下方式进行操作：检测特定波长的光子，然后生成与在每个像素处检测到的光子的数目有关的电荷、电压或电阻。然后，该电荷、电压或电阻被测量、数字化、并且用于构造发射或反射光子的物体、场景或现象的图像。光电传感器还可以被部署用于作为单个检测器或作为检测器阵列进行成像。
例如，三个主要思想可能会推进未来的光电传感器技术的采用：i)图像质量(例如，分辨率、低光性能、多光谱成像等)，ii)三维像素尺寸，以及3)器件功能(例如，高速视频、图像分析、运动控制、成本、尺寸重量和功率(SWaP)等)。这些方面中的每个方面的创新都包括每个级别的设计决策。例如，示例设计决策可以包括光电感测元件的结构和器件物理性质(即，光子检测)、像素的基本操作(即，信号捕获、存储和传输)、以及成像阵列的设计和操作(即，图像读取和信号处理)。
在这些级别中的每个级别，改善性能仍然存在重大挑战。例如，挑战可能包括改善一组器件、器件过程以及由那些器件组成的一个或多个电路之间的性能折衷。此外，随着图像处理进入新时代，挑战变得更加明显，在新时代，设计重点已经从图像数据转移到以信息为中心的图像传感器(例如，计算图像传感器、嵌入在智能视觉系统中的硅视网膜等)。对于包括无线传感器网络、无人值守的监视网络、汽车、物联网和其他便携式视觉应用的大量视觉系统，图像传感器的市场驱动力正在推动嵌入式计算机视觉预处理功能、改善的响应时间和最小化的SWaP。
II.当前的光电传感器技术、优化和折衷
II.A光电传感器的结构和器件物理性质
为了对可见光成像，底层的光电感测过程始于半导体中的光吸收。通常，该过程对于在光谱的X射线、紫外和红外部分中进行成像是相似的。所吸收的光生成电子空穴对，并且构成电子和空穴通过半导体中的耗尽区中的电场在空间上分离。耗尽区可以通过改变半导体系统(例如，半导体结)中的性质或使用半导体金属结(例如，肖特基结)来形成。
常规的光电传感器在物理光学领域中操作，其中与入射光相互作用的个体传感器元件远大于光的波长。在这种状况下，斯涅尔折射定律成立，辐射的吸收遵循比尔-朗伯定律，并且散射与散射元件的投影物理面积成比例。为了使这种状况下的光电检测器用作有效的光吸收器，包括光电传感器的半导体必须光学上是厚的。也就是说，光子在半导体层中被吸收的概率为
1-e-αd (1)
其中α是吸收系数，它取决于入射光的波长和吸收材料的成分两者，并且d是沿入射光方向的层厚度。最小层厚度的有用估计是α-1，在该处大约60％的入射光被吸收在光电传感器中。
硅是用于可见光光电传感器的通用且经济可行的半导体材料。跨可见光谱，硅的吸收系数从390nm处的约105cm-1变化到700nm处的约103cm-1。对于硅，吸收系数指示半导体厚度应当约为1μm，以吸收大约60％的入射光。
大约1μm的半导体厚度引入了针对改善图像传感器(例如，尺寸、响应等)的几个问题。一个问题源于依赖于光刻法的商业上可行的半导体制造过程。光刻法最适合于平面或伪平面结构。例如，具有大约等于或大于垂直特征(即，平面外)的平面特征的近似平面结构(例如，光电传感器)。结果，由于硅的良好吸收的垂直尺寸近似为1μm，因此平面光电传感器的尺寸通常也大约为1μm。因此，虽然可以稍微减小平面中的尺寸，但是难以将光电传感器的尺寸大幅减小至低于1μm。源于厚传感器的另一问题在于，厚传感器限制了使用堆叠阵列的垂直层的可能性。例如，具有三个传感器阵列的堆叠，每个传感器阵列的厚度为1μm，这产出3μm的堆叠高度。在这种情况下，由于堆叠的厚度，可能减少层中的一层或多层中的光吸收。然而，如果可以实施大幅薄于1μm的堆叠阵列，则可以看到各种好处。例如，薄层的堆叠将允许这些层对相关联成像光学器件中的色差去卷积。
光电传感器还可以使用具有更高吸收系数的其他材料。作为一个示例，在可见光谱中，砷化镓的吸收系数的范围约为105cm-1至106cm-1。这表明，厚度为0.1μm的半导体将递送1/e的吸收概率。然而，砷化镓仍然有几个缺点。例如，砷化镓是半导体工业利用的第二常见的半导体，并且通常比硅贵得多。另外，以显著小于1μm的长度尺度制造砷化镓特征是非常具有挑战性的，并且商业实施方式并不常见。最后，与尺寸显著小于1μm的砷化镓创建欧姆接触(用于电连接)是困难的，并且表现出低得令人无法接受的产量。
改善光敏阵列的成像性能的一种方式是制作大像素，而同时保持总体像素计数恒定。在一些科学应用中使用的相机的像素具有15μm或更大的线性尺寸。这些大像素尺寸使得能够改善动态范围和噪声。然而，较大的像素尺寸与当前的市场驱动力背道而驰，并且以相机尺寸和费用两者为代价。为了使用包括1μm像素的传感器阵列来保持相机的相似的成像性质，具有15μm像素的检测器具有近似200倍大的面积，并且成像光学器件的体积近似为3000倍大。这两个暗示(例如，尺寸和体积)都严重限制了这种用于改善光电传感器的解决方案可以被利用的程度。例如，在实践中，实施显著较大的像素通常会伴随着像素计数的减少、最大视场的减小、或两者。
改善光电传感器性能的另一种方法是通过利用光电传感器中的雪崩效应来提高光电传感器的光灵敏度(例如，低光强度测量)。也就是说，所施加的电压用于在半导体中生成高电场，并且作为响应，出现提高的光灵敏度。高场将光生载流子加速到比在其他情况下将达到的速度显著更高的速度。随后的碰撞创建附加的自由载流子，这些自由载流子转而被加速。结果，单个入射光子可以生成大幅的输出信号。尽管这样的光电传感器可以实现非常高的灵敏度，但它们通常在盖革(Geiger)模式中操作，盖革模式产出0dB的动态范围。否则，这样的器件在比例模式中操作，比例模式可以递送高达60dB的动态范围，但仅用于约1至1000个光子/测量间隔的入射强度范围。
等离子体材料也已经被探索为一种用于放大入射在光电传感器上的光的方法。在这种情况下，光电传感器产生电子的表面激发，使得导体能够强烈吸收、并且随后重新辐射入射光。等离子体学利用强谐振，该强谐振可以定制为优先与入射波长和极化的具体组合相互作用。迄今为止，等离子体学未能实现增强的光电感测能力，并且等离子体光电传感器经历了大的耗散损耗。
另外，尽管等离子体传感器具有大的损耗耗散损耗，但是已经开发出有助于将入射光聚集在与支持等离子体激发的系统相邻的区域中的等离子体系统。作为一个示例，具有亚波长尺寸的部分孔或贯通孔的导电金属片已经显示出将光聚集在孔内。包裹在低折射率绝缘材料(例如，二氧化硅)层中的米氏光电传感器可以与这样的等离子体系统组合，以增强检测。另外，应当注意，如下的其他金属系统可以具有相似的作用，该其他金属系统具有等于或低于入射光波长的一个或多个尺寸参数，并且与米氏光电传感器相邻。作为一个示例，这可以通过调整米氏光电传感器上的金属接触部的形状、尺寸或间距来实现。
改善图像质量和缩小像素尺寸可以驱动未来的光电传感器技术的采用。然而，这些驱动力中的很多都充满了对光和电性能产生负面影响的限制器之间的折衷。例如，如表1所示，减小像素节距(像素的中心至中心间距p)可以影响驱动光电传感器开发的几个指标的缩放因子。
信噪比 ～p<sup>-1</sup>
动态范围 ～p<sup>-2</sup>
景深 ～p<sup>-1</sup>
焦深 ～p<sup>-1</sup>
表1
尽管如这些参数相关性所示，存在减小像素尺寸的强大市场驱动力，但这种减小可能降低其他方面的性能。
通常，小像素对总体图像传感器性能的改善聚焦在增加信号和减少噪声上。许多优化是通过在阵列级别改善像素设计和处理技术来进行的。
IIB.像素的基本操作
像素包括个体光电传感器和信号收集电子器件，信号收集电子器件用于操作和读取光电传感器。通常，信号收集电子器件与每个光电传感器位于同一位置。由半导体吸收的光生成的信号可以通过测量所创建的电荷载流子的数量来获取(电荷收集或短路模式)，或者它可以通过测量跨耗尽区的电压来获取(电压或开路电压模式)。在第一种情况下，所生成的信号与入射光强度成比例，并且在第二种情况下，所生成的信号与入射光强度的对数成比例。
通常，成像系统中的光电传感器以电荷收集模式操作。以电荷收集模式操作允许光电传感器对入射光的线性响应，以简化用于图像处理的数据处置，并且还允许光电传感器对低入射光强度更加敏感。在电荷收集模式中，在固定的积分时间窗口期间，收集在光电传感器中生成的电荷，并且与在该窗口期间累积的总电荷成比例的电信号就是所报告的测量结果。如前所述，光电传感器可以收集的电荷与传感器的面积成比例。因此，随着光电传感器面积的减小，传感器动态范围的上端部与像素的线性尺寸的平方成比例地下降。为了抵消这种效应，积分时间可以减少为像素尺寸的平方。这样的时间减少降低了低光灵敏度，并且增加了传感器和相关联电子器件两者的复杂性和功率要求。另外，随着电荷收集模式光电传感器的缩小，其内部泄漏电流与饱和电流成比例地增加。这种泄漏电流成为噪声源，尤其是，噪声源对传感器的态范围的下端部设置底限。这两个效应一起限制了总动态范围，总动态范围转而转化为对成像系统可以捕获的场景对比度的限制。当前的成像系统通常表现出60dB与70dB之间的动态范围，这指示它们捕获了光强度的约35倍的变化。
成像系统中的光电传感器可以使用其他手段从由光电传感器吸收的光中生成改善的信号。例如，在电荷收集模式中，有源像素概念、钉扎光电二极管像素、和相关的双采样方法已经被用来改善光灵敏度并且减少噪声。然而，尽管努力提高光灵敏度，但是暗电流仍然是要求长积分时间和低照度的应用中小像素的重要因素。此外，即使技术上的突破使得能够进一步降低噪声源的信噪比，但随着像素尺寸减小到低于1微米的尺寸，噪声源的信噪比通常将继续恶化。
填充因子(即，像素中光敏区域的百分比)直接影响传感器的灵敏度和捕获图像的信噪比。给定像素中的晶体管的数目与其填充因子之间存在反比关系。在一个示例中，具有钉扎光电二极管的有源像素的特征在于：每个像素中的4个晶体管和5个互连，从而导致相对较低的填充因子，其中相对于光电感测区域而言，像素内电路装置消耗大量空间。通过在多个像素之间共享控制电路装置中的某个控制电路装置，可以缓解低填充因子，然而，这经常意指只有共享像素信号的总和是可访问的。
缩小像素尺寸并且解决全阱容量问题的一种方法是：创建小于1μm的光电传感器，该光电传感器只可以测量一个或至多几个光子的存在或不存在，但是另一方面，可以以很高的速度操作。在高的速度处，测量时间减少，使得传感器不太可能饱和。然后，由传感器生成的信号由通过许多时间窗口收集的电荷总和构成，而不是由在单个时间窗口期间收集的电荷总和构成。该技术的主要缺点在于，以高数据采集速率操作大量光电传感器需要大量的功率，这增加了操作成本，并且创建了可能难以耗散的热量。
增加图像传感器阵列的动态范围的一种不同途径是以开路电压模式操作它们。开路电压模式递送对数响应(即，与眼睛或胶片相似)，而不是电荷收集模式中的线性响应。使用开路电压模式的阵列已经展示出超过120dB的动态范围、跨越六个数量级并且近似为大多数当前检测器阵列中实现的两倍的可测量的光强度范围。然而，使用开路电压模式的阵列在较低的光强度处性能差，在较低的光强度处，其响应由噪声主导。
开路模式光电传感器的另一缺点是，对于大于1μm的像素，与帧到帧的转变时间相比，硅半导体结对光的电压响应的时间常数慢。结果，必须包括额外的电路装置，以在图像采集开始之前强制重置每个光电传感器。另外，对于大于1μm的像素，电压响应时间时常长于曝光时间。这意指：以电压模式操作的这样的像素在曝光期间不会达到平衡。这种动态测量不仅具有随机噪声的附加源，而且难以消除系统误差。
II.C成像阵列的设计和操作
个体光电传感器和像素可以用作单个检测器，或者用作检测器的线性和二维阵列。像素到像素间距确定了光电传感器阵列中的两个重要参数：成像系统在图像空间中的空间分辨率，和针对给定像素数目的成像阵列的尺寸。像素到像素间距可以对可以在图像中捕获的空间频率设置上限。该像素到像素间距对应于物体空间中相似的空间分辨率指标。尽管具体限制取决于成像光学器件，但像素到像素间距限制了可以在物体中辨识的空间细节。此外，随着像素到像素间距的增加，传感器阵列的面积以该间距的平方增加。半导体器件的成本与器件面积成比例地升高，因此像素到像素间距的增加对成像阵列的成本具有重要影响。
阵列设计的很多改善是由对较小像素的需求驱动的。像素的优化分为两大类：(i)提高光灵敏度，以及(ii)降低噪声。聚光改善包括微透镜、光导、抗反射涂层、减薄互连层和电介质、背面照明、以及用于将光子检测与像素读出和信号处理分离的堆叠结构或集成电路的三维集成。这些相同的改善中的很多改善还减少了光学串扰。深沟槽隔离和掩埋式滤色器也减少光学串扰，并且改善模块传递函数。
光电传感器中的堆叠结构可以用于增加捕获图像上的信息密度。无需区域过滤，即可在每个成像点处同时检测多个频率。区域过滤从光电传感器中去除了除特定种类“上游”(即，堆叠结构中较高)的光之外的所有光。因此，区域过滤从传入信号中去除了所有其他光。相反，堆叠的光电传感器使得能够对颜色进行垂直过滤。在这种情况下，由于不同的光波长具有不同的吸收系数，产生颜色分离；然而，不同的颜色感测层具有来自所有可见波长的大贡献。层之间的可变颜色感测贡献于准确分辨颜色的困难性。实施堆叠结构还具有附加的信息处理挑战。由于某些波长的光在所有层中被不同程度地吸收，因此产生标准的红绿蓝图像具有挑战性。特别地，在形成图像之前，对来自堆叠结构的层中的每一层的所有不同颜色贡献进行去卷积。
总而言之，在针对具体视觉应用选择最合适的相机中的折衷中的很多折衷源于当今器件的操作物理性质。基础竞争因素限定了性能，并且它们迫使器件、过程和电路装置方面的复杂折衷。对最小像素尺寸、传感器动态范围和光电传感器的噪声特性的限制全都贡献于：性能通常低于期望性能，并且甚至低于使用胶片实现的性能。
III米氏光电传感器
米氏散射允许小尺寸结构具有大于其物理截面的光学截面。因此，米氏散射可以使得能够通过提高光灵敏度，例如，通过基于传感器的光学截面来聚集可用于光电传感器的光量，来改善光电传感器的性能。例如，在米氏散射中，长度尺度在入射光的波长量级的物体表现出复杂的散射性质，该复杂的散射性质可以优先将光引导向光电传感器。米氏散射实现了谐振，该谐振可以被定制为优先与入射波长和极化的具体组合相互作用。因此，利用米氏散射的器件可以用于增加光电传感器的能力。此外，可以选择使得能够进行米氏散射的结构的配置、设计和特性(例如，结构几何形状、结构材料、和结构内特征的空间关系)，以增加光电传感器的能力。米氏散射在章节III.A中更详细地描述。
在本文中，利用米氏散射的任何光电传感器被描述为米氏光电传感器。米氏光电传感器通过测量内部聚集到光电传感器散射中心的光，来增强光电传感器的能力。散射中心是米氏光电传感器的、利用米氏散射来增加电流生成的区域。在一个示例中，米氏光电传感器包括增强光子检测的散射中心。也就是说，由于米氏散射效应，由米氏光电传感器响应于入射在散射中心上的光子而生成的信号高于常规光电传感器中的信号。随后可以在一个或多个附加传感器中检测所生成的信号(例如，作为电流、电压或电阻)。
III.A米氏散射
通常，米氏散射可以被描述为光学散射问题的描述，该光学散射问题是针对从物体的光散射的麦克斯韦方程组的一般解。通常，当物体变得远大于光的波长时，麦克斯韦方程组的解收敛于由物理光学解决方案(即，如先前章节中所讨论的)所提供的那些解。此外，当物体变得远小于光的波长时，麦克斯韦方程组的解收敛于瑞利散射近似值。然而，在中间区域中，散射解变得更复杂，并且被称为米氏散射。
例如，当物体的特征尺寸在约1/5·λ至约10·λ的范围内时，给定波长λ的光将表现出从该物体的米氏散射。对于半径r的球体，特征尺寸为球体的周长2πr；对于扁球状体，它是2πa，其中a是球状体的长轴；并且对于半径r的无限长圆柱体，它为2πr。长度为2.5r和更长的有限圆柱体的行为与无限圆柱体相似。因此，对于可见光，半径在近似20nm与1.1μm之间的球形颗粒将表现出米氏散射。前述形状是方便的示例，因为它们在该尺寸状况中具有光学散射问题的解析解，但可以是任何其他形状。对于任意体积(诸如各种多面体)，仅数值解可用。
米氏光电传感器可以通过创建大的颗粒内场，来生成用于图像感测的信号。当散射物体与入射光的波长与物体构成材料的折射率的实部的比率相比是大的(即，物体在光学上是大的)、与入射光的波长相比是小的(即，物体在几何上是小的)、并且散射物体与1相比具有小的衰减系数时，大的颗粒内场是可能的。
米氏光电传感器被构造为增加由于入射光的散射而导致的高电场和磁场的内部区域的生成。这样的场驱动增强的吸收概率，并且因此增加的光电流，增加的光电流导致改善的图像生成特性。因为聚集场的这种区域在薄于吸收厚度的结构中是可能的，所以常规光电传感器的厚度要求不适用于米氏光电传感器。以其散射中心是半径100nm的硅球体的米氏光电传感器为例，针对该硅球体，特征尺寸为2πr或628nm。在该示例中，600nm的光入射在散射中心上。对于硅，在600nm处的实折射率为3.939，并且衰减系数为0.02，导致吸收长度为4.14×103cm-1。因此，这种球体的特征长度是入射波长与其折射率的比率的超过4倍大。同时，球体在其最厚处的衰减系数为0.083。该示例说明了米氏光电传感器与常规光电传感器之间的一个差异。例如，实施常规的光电传感器，以便通过尽可能厚来使其光吸收概率最大化，其中大致最小厚度为要测量的入射光的1个吸收长度。
在生成大的颗粒内场的米氏光电传感器中，入射能量的散射分量和吸收分量两者都小，并且其余能量内部聚集到散射物体。干涉效应可以抵消散射物体附近区域中的入射能量，从而导致物体的光学截面显著超过其物理截面。也就是说，有效地，米氏光电传感器的作用就像是它从比实际结构大得多的结构吸收光。
米氏光电传感器可以包括由电介质材料构成的散射中心，该电介质材料的折射率(折射指数)的实部与周围环境严重不匹配，并且针对该电介质材料，折射率的虚部(衰减系数)是小的。也就是说，用于米氏光电传感器的材料可以具有如下折射率：
Figure BDA0002944811610000141
使得
m＞1&κ＜＜1(3)
这样的材料的示例包括很多半导体：例如，硅(m＝4.14，κ＝0.01)、砷化镓(m＝4.13，κ＝0.34)、和磷化镓(m＝3.49，κ＝0.003)。例如，当半导体材料形成具有适合米氏散射的尺寸并且被低折射率材料包围的物体时，作为它们生成远场米氏散射图案的必然后果，它们可能会响应入射光而经历极其大的内部电场和磁场。例如，半导体的一些低折射率材料可以是空气(m＝1)、二氧化硅(m＝1.5)、油或水。在半导体散射中心的情况下，由这些内部场形成的大能量密度驱动大的自由载流子创建。米氏光电传感器中光学生成的自由载流子的数目通常与入射光的强度成比例，并且可以在电荷收集模式或开路电压模式中，用于驱动输出信号，该输出信号报告入射光强度。
米氏光电检测器中的谐振是响应于变量(诸如例如，波长)的具体的通常窄的范围的激发。结果，可以定制散射物体的尺寸，以增强传感器对特定波长范围的响应，而无需滤除其他波长。特定波长响应提供了创建固有地响应于期望波长的光电传感器的机会。可以采用多个相邻传感器来提供波长特异性(颜色灵敏度或多光谱成像)。在一些情况下，比起具体的窄波长响应，期望宽的波长响应。幸运的是，在这种情况下，谐振可以在重叠的级联中发生，从而实现宽波长响应。通常，改变个体常规光电传感器的形状不用作波长或极化选择的手段。因此，在米氏光电传感器中选择适当的形状、尺寸、深度等可以选择用于光电传感器吸收的波长或极化。
在使用球形散射中心的米氏散射的示例解决方案中，可以看到谐振重叠。首先，针对光学散射问题的米氏解决方案根据正交函数的无穷级数扩展电磁场，以便满足散射物体(例如，球体、多面体等)表面处的适当边界条件。也就是说，个体电场和磁场的径向分量为0，并且它们的切向分量是连续的。在球体的理想情况下，正交基函数由Riccati-Bessel函数的复杂线性组合构造而成；这些新函数表示为ψn和ξn，其中n表示底层Riccati-Bessel函数的阶，并且解完全由展开中每一项的4个系数的系列确定。那些系数中的两个系数仅与散射物体外部的电场和磁场有关；其余两个系数各自分别指示散射物体内部的电场强度和磁场强度。这些系数取决于：无量纲尺寸参数，该无量纲尺寸参数描述散射物体的物理尺寸与光的波长之间的关系：
Figure BDA0002944811610000151
散射物体的复折射率m；以及展开的阶：n。在κ＝0的极限下，散射球体内部的解由下式给出：
Figure BDA0002944811610000152
其中cn是描述电场强度的系数；以及
Figure BDA0002944811610000153
其中dn是描述磁场强度的系数；并且其中'(或“一撇”)指示关于整个自变量的导数。n中的较低阶(偶极子、四极子和八极子项：n＝1、2和3)通常具有最大影响，因为较低阶正交函数主导级数展开，并且随后将每一项乘以与1/n成比例的附加因子，以计算该项对总场的贡献。可以绘制作为球体半径的函数的系数，以可视化谐振重叠的领域。
图1A-1H示出了根据几个示例实施例的一系列谐振图。谐振图示出了作为散射中心尺寸的函数的吸收系数的幅度。每个谐振图包括根据上述限定而计算的几个不同吸收系数d1、d2、d3、c1、c2和c3。换言之，每个谐振图示出了作为球体半径的函数的cn和dn两者的前3个多极子(例如，n＝1、2和3)。图1A是波长为400nm的入射光的谐振图110。图1B是波长为450nm的入射光的谐振图120。图1C是波长为500nm的入射光的谐振图130。图1D是波长为550nm的入射光的谐振图140。图1E是波长为600nm的入射光的谐振图150。图1F是波长为650nm的入射光的谐振图160。图1G是波长为700nm的入射光的谐振图170。图1H是波长为750nm的入射光的谐振图180。
米氏光电传感器可以是许多形状。关于图1A-1E示出的示例是球形的，然而，米氏光电传感器可以是直线的、接近直线的、或某种其他几何形状。可以使用半导体制造技术来创建直线或差不多直线的米氏光电传感器。在直线传感器的情况下，散射问题的解不能解析求解，但它可以数值求解。
例如，图2示出了根据一个示例实施例的针对直线米氏光电传感器的吸收功率图。吸收功率图210示出了针对不同波长的光，吸收功率与入射功率的数值计算比率。吸收功率使用以下两者来计算：(i)针对直线光电传感器的米氏解(标记为“Cube”)，和(ii)如通过物理光学计算而预测的针对直线光电传感器的解(标记为“BL”)。针对两种不同的直线光电传感器计算吸收系数：(i)具有109nm边长的第一器件，以及(ii)具有218nm边长的第二器件。另外，针对五种不同波长的光(例如，400nm、500nm、600nm、700nm和800nm)，计算吸收系数。
当考虑米氏散射时，第一器件的吸收能量示出了对400nm光的增强吸收。在给定图1的图中的结果的情况下，这是预期的。第二器件的吸收能量示出了更均匀的吸收轮廓。尤其是，这些吸收比率中的几个吸收比率大于1。比率表明，当考虑米氏散射时，器件的光学截面超过其物理截面。
为了比较，针对两种尺寸的检测器，还示出了如通过物理光学预测的第一器件的吸收能量。在这些示例中，由于不存在因米氏散射而产生的内部聚集，因此对于所有波长都存在4倍至6倍之间的吸收功率降低。
图1A-1H和图2中的结果指示既实现宽波长响应又执行多光谱成像的策略。也就是说，在第一途径中，实施几个米氏光电传感器，它们的尺寸和形状在cn或dn中不包含高强度谐振，这允许光电传感器的更宽的波长响应。在第二途径中，实施多个米氏光电传感器，每个米氏光电传感器具有略微不同的几何形状，其位置使得每个光电传感器测量像平面中的相似的空间信息，这允许多光谱成像。在这种情况下，可以将来自多个检测器的信号求和，以均匀的权重求平均值，或以某种其他函数形式进行组合，以结合期望的噪声和灵敏度要求，递送期望的波长响应。
III.B米氏光电传感器的结构和物理性质
根据一个示例实施例，图3A示出了米氏光电传感器的俯视图，并且图3B示出了米氏光电传感器的侧视图。在该示例中，米氏光电传感器310包括n型砷化镓的长方体台面320。台面320位于本征砷化镓层的基板330上，并且附接到基板330。在此，台面320是用于米氏光电传感器的散射中心的一个示例。然而，在其他实施例中，散射中心可以采取任何其他数目的形状或尺寸。
在该示例中，通过在2000nm厚的本征砷化镓基板330上生长100nm厚的n型砷化镓层，形成台面320。随后，利用光致抗蚀剂施加、使用光学光刻和/或电子束光刻的光致抗蚀剂图案化、以及蚀刻的组合，以制造米氏光电传感器。以这种方式，制造过程去除了n型砷化镓的限定部分，留下了个体台面320。台面320还被制造为使得台面的每个侧面为250nm×250nm。诸如500nm×500nm的侧面的其他示例也是可能的。
随后的处理步骤在台面320上创建欧姆接触部350A和肖特基接触部350B。处理还创建用于电访问接触部350的导电迹线，尽管它们未被画出。
米氏光电传感器310可以具有其他维度或任何其他数目的接触部350。此外，接触部可以是某种其他类型的接触部，诸如p-n或p-i-n半导体结。
图4示出了根据一个示例实施例的针对米氏光电传感器的电压响应图。电压响应图示出了针对米氏光电传感器(例如，米氏光电传感器310)，作为入射光强度的函数的、在肖特基接触部(例如，350B)与欧姆接触部(350A)之间的开路电压响应。在所示示例中，示出了暴露于法向入射光的、250nm平方和500nm平方的砷化镓台面两者的开路电压。另外，肖特基接触的所估计的肖特基势垒高度为0.48eV，但可以是任何其他势垒高度。
所示示例示出了源自米氏散射的增强的吸收。例如，此处，台面暴露于法向于米氏光电传感器的顶表面的准直入射的632.8nm波长的光。如果针对该示例假定物理光学近似值，则应当从表面反射37％的光，并且在其余部分中，应当在台面中吸收32％的光，总吸收能量为总入射光的21％。然而，在该示例中，所测量的信号指示：在米氏光电传感器中吸收的光是预期的至少两倍那么多。也就是说，当假定使用物理光学的原理得出的理想最大值时，存在比预期更多的吸收。
图4所示的增强响应说明了上述米氏散射的内部聚集效应。随后的建模结果支持这一结论。在示例中，当电介质物体与具有基本相同的复折射率的、宏观上大的材料板紧密平面接触时，电介质物体可以支持内部能量聚集，该内部能量聚集指示针对隔离散射中心的米氏散射。针对这些电介质物体的能量聚集指示，直接由半导体材料的晶片制造的连接元件是用于这些检测器的合适结构。
在常规的光电传感器中，台面(例如，米氏散射传感器)不存在。代替地，这些系统包括用作吸收介质的厚度的半导体材料，并且在一个或多个位置处，使用不同掺杂的半导体或薄金属层来建立耗尽区。耗尽区驱动局部生成的光生电荷的收集。在阵列的情况下，个体像素可以通过材料被分离，该材料用于阻止光子或电荷的交换。缩小阵列的区域尺寸以使得个体像素小于入射光的波长，不会产出米氏光电传感器的阵列。此外，缩小阵列厚度以使得其在光学上是薄的，不会创建米氏光电传感器的阵列。通常，小的相邻(传统)光电传感器形成具有连续折射率的较大结构。相比之下，在米氏光电传感器的阵列中，个体光电传感器具有如本文中讨论的适当尺寸。此外，每个米氏光电传感器在很大程度上被具有与像素本身不同的折射率的材料包围，以限定散射中心并且进一步实现米氏散射。
此外，通常，个体常规光电传感器被支撑信号收集电子器件的附加半导体材料包围。在将传感器的感光区域减小到米氏光电传感器的尺寸后，这种附加材料与感光区域组合形成了较大的结构，该较大的结构并未限定如米氏光电传感器所需要的离散电介质散射中心。
米氏光电传感器中的接触部的肖特基势垒高度可以影响其操作。例如，图5是根据一个示例实施例的电压多响应图。电压多响应图510示出了针对图3中的米氏光电传感器的仿真开路电压，但是针对肖特基结的不同势垒高度。在电压多传感器图中，对于每个肖特基势垒，针对相同波长的光，测量开路电压。
如上所述，米氏光电传感器的内部电场和/或磁场大于其常规光电传感器对应物的内部电场和/或磁场。为了说明，图6示出了根据一个示例实施例的米氏光电传感器的截面场图。截面场图600示出了米氏光电传感器中及其周围的电场。所示的米氏光电传感器是图3所示的米氏光电传感器310。另外，在1000nm×1000nm×200nm厚的Si基板(例如，基板330)上制造米氏光电传感器。米氏光电传感器经受波长600nm的入射平面波，该平面波感应出被局部化在台面内部和台面正下方的硅基板内部的大电磁场。
图7示出了根据一个示例实施例的米氏光电传感器。在该示例中，米氏光电传感器710是350nm×250nm×100nm厚的硅台面，其具有形成与台面710的接触部的两个金属带(例如，接触部720A和720B)。接触部720中的每个接触部为250nm×50nm×50nm高。一个接触部720A与台面720形成肖特基接触，另一接触部720B与台面形成欧姆接触。作为台面之下的基板的函数的吸收功率的仿真结果加强了如下结果：散射中心可以支持米氏散射感应的内部能量聚集。
图8是根据一个示例实施例的米氏光电传感器的截面场图。截面场图810示出了图7的米氏光电传感器710的截面视图。截面场图示出了器件中及其周围的电场。然而，在该示例中，米氏光电传感器被制造在1000nm×1000nm×200nm厚的二氧化硅基板上，该二氧化硅基板经受波长600nm的入射平面波。
在该示例中，基板是二氧化硅(绝缘体)，而不是半导体(例如，硅)。二氧化硅基板允许完全在台面周围的不连续的折射率。另外，二氧化硅强烈支持沿其前表面和背表面入射在基板上的平面波的反射。入射平面波与反射平面波之间的干涉效应主导在基板和周围真空中的电场强度图。干涉效应减小了台面中的内部聚集效应，这从最大电场强度的减小中看出。比较图6和图8表明，比起二氧化硅基板上的器件，硅基板上的米氏光电传感器的灵敏度具有低1到21/2个数量级之间的光水平(取决于台面掺杂Nd)的最小灵敏度。
图9示出了根据一个示例实施例的电压多响应图。该电压多响应图示出了在图5中米氏光电传感器的两个金属接触部之间感应出的开路电压。在此，电压响应是响应于在米氏光电传感器上入射的强度变化的600nm光，该米氏光电传感器使用硅被制造在硅基板上。另外，在该电压响应图910中，不是每条线传达不同的肖特基势垒高度，而是图中的每条线代表米氏光电传感器的台面的不同掺杂水平。在硅和二氧化硅基板两种情况下，肖特基势垒高度假定为1.0eV。肖特基势垒在与其相邻的半导体体积中感应出耗尽区，并且具有反映系统的平衡状态的内建电压。光生电子-空穴对的添加改变了该内建电压，该内建电压可以作为两个金属接触部之间的开路电压进行测量。开路电压与光生载流子的产生速率的对数(log)成比例。
通常，硅基板上的米氏光电传感器比二氧化硅基板上的米氏光电传感器更敏感，并且指示台面和基板成分的重要性。也有其他增强光学检测性能(例如，灵敏度)的方法。一个示例是减小肖特基接触的面积。减小肖特基接触面积可以降低跨势垒的饱和电流，并且这显著提高器件的灵敏度。此外，减小肖特基接触面积可以使得能够对自由载流子梯度进行工程设计，从而控制扩散速率。控制扩散速率使得能够控制非绝缘基板(诸如本征硅)上传感器之间的串扰。另外，改变金属接触部的尺寸和形状可以用来进一步限定检测器与传入波之间的相互作用。
图10A-10C示出了根据一些示例实施例的米氏光电传感器的各种配置。每个附图示出了米氏光电传感器的不同配置，但是所有的米氏光电传感器至少包括基板(为清楚起见未示出)。基板是具有第一折射率并且包括半导体材料的台面1020的材料层。台面具有第二折射率，并且被配置为响应于电磁扰动(例如，可见光、x射线、红外辐射等)而在半导体材料内生成自由载流子。台面1020被具有复(例如，第三)折射率的折射介质1040(例如，空气)包围。通常，第三折射率低于第一折射率和第二折射率。在其中台面和基板的材料相似或相同的一些情况下，两种材料的折射率可以相似或相同。
折射介质1040和台面1020(和/或基板)一起形成界面，其中跨该界面的折射率是不连续的。也就是说，折射介质1040可以包括具有与台面1030不同的折射率实部的某种材料。理想地，不连续折射率跨台面1030与折射介质之间的边界应当尽可能大。例如，在5个侧面上具有空气的直线硅台面的情况下，台面与空气折射介质之间的折射率不连续性跨可见光谱在5.3到3.7之间。在经受546nm入射光的砷化镓的情况下，台面与折射介质之间的折射率不连续性为4.0。
在折射介质内的半导体材料的台面可以形成用于米氏光电传感器的电磁散射中心。在一些情况下，散射中心可以是台面的某一部分，而不是整个台面。换言之，台面可以被描述为具有几何形状，该几何形状具有一组边界，并且电磁散射中心可以是台面的半导体材料的、在那些边界内并且直至那些边界的任何部分。
米氏光电传感器包括接触台面1020的至少一个接触部1050(例如，接触部1050A和1050B)。接触部1050可以是欧姆接触、肖特基接触、pn结或pin结的任何组合。在其中两个接触部1050都为欧姆接触的配置中，折射材料(或基板)与台面1030之间的界面中的至少一个界面是肖特基势垒。
在各种配置中，米氏光电传感器1010可以包括非对称台面，非对称台面可以用来改变光电传感器对传入光的极化的响应。高度非对称的台面将对具有其构成场的不同定向的光，呈现不同的有效空间尺寸。例如，图10A-10C中的米氏光电传感器1010示出了具有与传入光和接触部两者有关的不同纵横比的台面1020。以这种方式，可以单独测量传入光的特定极化状态，和/或特定波长的传入光可以在光电传感器中谐振。极化相关的测量结果可以递送与光反射或发光物体的成分有关的重要信息。
米氏光电传感器可以被配置为吸收所设计的特定波长的光。例如，散射中心的尺寸、形状、材料等可以被配置为吸收特定波长。在这种情况下，米氏散射在谐振水平处吸收特定波长的电磁扰动，并且生成与谐振水平相对应的第一数量的自由载流子。电磁散射中心还可以在非谐振水平处吸收不同波长的电磁扰动，并且生成与非谐振水平相对应的第二数量的自由载流子。从特定波长(例如，谐振)处的光生成的自由载流子的数目大于从不同波长(例如，非谐振)处的载流子生成的载流子的数目。
通常，个体米氏光电传感器被配置为窄波长响应，但是多个米氏光电传感器可以被配置用于不同的波长响应，使得米氏光电传感器的阵列吸收宽范围的波长。以这种方式，对于传入光的几个光谱，可以辨识出作为波长的函数的强度变化。
本文中提出的米氏光电传感器的这些配置作为示例给出，并且不旨在是限制性的。更具体地，米氏光电传感器可以是利用米氏散射来增强光电传感器中的光电流生成的光电传感器的任何配置。
例如，米氏光电传感器可以具有各种类型的基板。一些示例基板包括：碳(例如，金刚石和具有氮空位的金刚石等)、砷化镓、碲化汞镉、硅化铂、锗、溴化铊等。此外，可以选择每种基板材料，使得米氏光电传感器被配置为针对特定类型的电磁扰动具有谐振。例如，米氏光电传感器包括基板，基板包括：(i)碳，可以具有UV、X射线谐振；(ii)碲化汞镉，可以具有宽红外谐振；(iii)硅化铂，可以具有红外谐振；(iv)锗，可以具有伽马射线谐振；以及溴化铊，可以具有X射线谐振。
作为另一示例，米氏光电传感器可以具有在30nm至1700nm之间的高度。其中米氏光电传感器的高度是在相对于基板表面垂直的方向上测量的。再次，米氏光电传感器的高度可以影响在自由载流子生成中引起谐振的电磁扰动的特定波长、和/或在自由载流子生成中引起谐振的光的特定极化。
作为另一示例，台面可以具有不同的平面尺寸。为了说明，台面在第一方向上可以具有在10nm至800nm之间的第一特征，并且在第二方向上可以具有在10nm至800nm之间的第二特征，其中第一方向和第二方向近似彼此正交。再次，第一特征和第二特征的尺寸可以影响在自由载流子生成中引起谐振的电磁扰动的特定波长、和/或在自由载流子生成中引起谐振的光的特定极化。
III.C米氏光电传感器像素的基本操作
像常规的光电传感器一样，米氏光电传感器可以被部署为在开路或电荷收集模式中操作的成像系统中的像素。
如先前讨论的，非欧姆接触可以由肖特基结或pn结形成。肖特基结的优点是它们提供非常快的响应时间。以前，肖特基结很少在光电传感器中使用，因为它们通常具有较高的暗电流，这建立强度底限，低于该强度底限，不能执行测量。然而，在米氏光电传感器中，可以使金属-半导体界面的面积极其小，这大大减小了结暗电流。
由于光电传感器的快速的响应时间和低的最小灵敏度，米氏光电传感器对于在开路模式中的部署是有吸引力的。快速的响应时间使得能够进行平衡电压测量，并且较低的最小灵敏度允许电压测量扩展至较低的入射强度。由于这种模式的对数响应，以这种模式操作的光电传感器具有固有地大的动态范围；改善的最小灵敏度表明它们可以递送显著更大的动态范围，该动态范围大于其他对数检测器中展示出的动态范围的60倍。
以电压模式利用的米氏光电传感器的另一好处是，它们可以在没有偏置电压且没有重置电路装置的情况下操作。利用肖特基接触而可能的快速响应，结合通过米氏光电传感器的小尺寸实现的小面积接触，使得可以实施米氏光电传感器对光的响应的直接电压测量，而无需向像素添加重置电路装置。
图11A-11E示出了根据各种示例实施例的包括一个或多个米氏光电传感器的图像传感器中的像素的几种不同配置。每个像素1110包括半导体材料台面1120、基板1130、折射材料1140(如图所示为空气)和一个或多个接触部1150。此外，每个像素包括用于从像素中读取信息并且控制像素的控制电子器件的某种组合。
图11A示出了根据一个示例实施例的包括米氏光电传感器的图像传感器阵列的示例像素。在该示例中，像素1100A包括单个选择晶体管1160，该单个选择晶体管1160将列母线1180连接到米氏光电传感器1110。因为仅存在单个选择晶体管1160，所以像素1160和米氏光电传感器1110固有地递送低功率性能。
图11B示出了根据一个示例实施例的包括米氏光电传感器的图像传感器阵列的示例像素。在该示例中，像素传感器包括选择晶体管1160和放大晶体管1162两者。该配置允许将米氏光电传感器的电容与列母线1180的其余部分(以及其余的读出电路装置)隔离。另外，该配置允许像素(经由放大晶体管1162)重新缩放从米氏光电传感器输出的电压。
图11C示出了根据一个示例实施例的包括米氏光电传感器的图像传感器阵列的示例像素。在该示例中，像素包括选择晶体管1160、放大晶体管1162和电容器1164。在此，可以跨被适当地设置尺寸的电容器1164，临时存储输出电压。电容器1164的电容取决于电路装置的电压差(通常为VDD)、读出电路装置的电阻和期望时间响应。像素的这种配置附加地允许几乎同时测量阵列中的所有像素。
图11D示出了根据一个示例实施例的包括米氏光电传感器的图像传感器阵列的示例像素。在这种情况下，像素包括选择晶体管1160、放大晶体管1162、电容器1164和重置晶体管1166。这种配置允许像素将电容器重置到其零电压差状态。替代地或附加地，这种配置允许在由电压存储电容器介导的读出模式与不是由电压存储电容器介导的读出模式之间切换。作为操作的一个示例，当选择晶体管1160为“关断(OFF)”时，接通重置晶体管1166供应重置功能。当选择晶体管1160为“导通(ON)”时，接通重置晶体管1166用于在很大程度上旁路电压存储电容器。
图11E示出了根据一个示例实施例的包括米氏光电传感器的图像传感器阵列的示例像素。如上所述，在具有肖特基结的米氏光电传感器中，米氏光电传感器的响应时间是迅速的。因此，在使用pn结的情况下，可能期望用于将传感器重置至其暗态的选项。例如，在此，像素1110包括重置开关1168。
图11A至图11E意在出于说明的目的，并且包括米氏光电传感器的像素的很多其他配置也是可能的。附加地，上述功能的任何组合可以被包括在各种像素中。
对于以电荷收集模式实施的米氏光电传感器，较小的光电传感器尺寸减少了电荷收集时间，从而使得能够提高帧速率。另外，饱和电流的减小使得使用肖特基结(代替半导体结)更加广泛可行。肖特基结固有地具有比半导体结更高的饱和电流，针对利用金属-半导体整流界面的光电传感器，这设置对应更高的最小灵敏度。然而，在一些示例配置中，利用肖特基结的米氏光电传感器具有快得多的响应时间，这实现更高的帧速率和对短时段光学事件的检测。
米氏光电传感器还可以用与钉扎光电二极管的电路装置相似的电路装置，以电荷收集模式来实施。然而，在开路配置中，感光传感器与其他像素内电路装置之间的传输晶体管的不存在可以通过例如减少暗电流问题来产生改善的性能。
米氏光电传感器的光学截面超过其物理截面意味着：米氏光电传感器可以响应于如下入射光，该入射光通常将撞击在检测器的光敏区周围和与检测器的光敏区相邻的区域。这增加了成像芯片的有效填充因子。这样的区域可以被控制和处理电子电路装置占据。例如，通过实施更快的电路装置以用于高速成像、或用于实现全局(相对于滚动快门)数据收集和传输，这样的电子器件可以用于增强信号收集和放大。
III.D米氏光电传感器阵列的设计和操作
个体米氏光电传感器可以使用与个体常规光电传感器采用的相同的技术，被实施为单个传感器成像器件。在这种情况下，跨由静态物体形成的像平面，扫描传感器，以便构造图像。再次，与常规的光电传感器一样，图像可以通过跨像平面扫描的完全相同的米氏光电传感器的线性阵列、或通过静止米氏光电传感器的二维阵列来形成。像常规的光电传感器阵列一样，像素到像素间距可以对可以在图像中捕获的空间频率设置上限。该像素到像素间距对应于物体空间中相似的空间分辨率指标。在使用直接成像而没有居间光学器件的情况下，不存在衍射极限或艾里斑的概念。这种成像的示例包括全息摄影术和接触成像。不能提供细小间隔的光电传感器限制了这些技术在其中它们可能有价值的很多情形下的广泛应用。在需要光学器件的情况下，物体的空间分辨率的极限是将光从成像物体传输到图像的光学器件的函数。对于给定光学系统，大的像素到像素间距可以进一步限制可以在物体中辨识的空间细节。出于这一原因，当与成像光学器件结合使用时，米氏光电传感器由于其减小的尺寸和提高的填充因子，还可以递送改善的空间分辨率。
与上面讨论的常规光电传感器相比，米氏光电传感器的所有优点在这些情况中的每一种情况下均可以贡献于改善的成像性能。另外，米氏光电传感器像素全都与常规光电传感器当前使用的图像阵列增强方法兼容。这些方法包括聚光改善和降噪技术，诸如微透镜、光导、抗反射涂层、减薄互连层和电介质、背面照明、用于将光子检测与像素读出和信号处理分离的堆叠结构或集成电路的三维集成、双采样方法等。
米氏光电传感器的几个特性各自实现了用于布置和使用光电传感器阵列(一维、二维或三维阵列)的新方式。特性可以包括例如：米氏光电传感器尺寸小于入射光的波长的可能性、米氏光电传感器的光学截面超过其物理截面的可能性、以及将米氏光电传感器设计为在波长和/或极化方面表现出谐振的可能性等。合起来，这些特性允许新的并且强大的阵列设计。
除非在图像分析中使用亚波长衍射效应，否则用于显示或分析目的的有意义的网格是如下网格：该网格的网格节点通过约一个艾里斑直径的最小值被分离。小于光波长的米氏光电传感器尺寸使得可以对图像中的每个可分辨斑点或艾里斑进行多次测量。这与用于形成所需图像的光学器件的f数无关。空间分布的强度测量的这种重组可以被认为限定了有效像素。也可以使这样的有效像素比艾里斑更大。在那种情况下，必须考虑系统光学器件的空间频谱，以最小化图像中的混叠。图像空间的空间分辨率是由有效像素分布所隐含的分辨率。来自有效像素内的物理像素的信号可以被组合或保持分离。
与使用来自单个较大像素(该单个较大像素是较小像素之和的区域)的信号相比，组合来自不同光电传感器的信号已经显示出大幅改善了最终图像中的信噪比。这种改善在低光水平处尤其明显。利用米氏光电传感器，可以在不损害图像质量的情况下出现这种情况。另外，利用较大的像素，这种组合或粗化将导致引入由于混叠而产生的光学伪像。低于艾里斑尺寸的米氏光电传感器使得能够组合传感器，而不会存在导致混叠的高频光学分量。
在一些示例中，来自单个有效像素内的传感器的信号将使用芯片上电子器件、芯片外电子器件、或者以软件执行而被组合。当使用芯片上电子器件时，组合信号可以导致芯片上电路装置的大幅减少。组合信号不必使用规则网格上的光电传感器来进行。例如，增加从图像阵列中心到边缘的有效像素区域，产出与人眼的凹式图案相似的凹式图案。不规则光电传感器图案的一个优点是，它们可以在图像的一个或多个部分处递送较高空间分辨率信号，但是在图像的其他部分处递送较低噪声和较高动态范围信号。
生成信号组合通常会降低数据吞吐率，尤其是降低芯片上组合的吞吐率。然而，软件中的数据组合在灵活性方面具有优势。在图像中的物体具有未知尺寸或特征的情况下，可以使用反馈或机器学习来确定那些物体。例如，物理像素的不同组合可以被组合为有效像素，以便最大化检测和评估有效性。
替代地，保持由光电传感器生成的信号分离，使得能够在每个有效像素内对入射光进行多次波长和/或极化测量。例如，在其中个体像素是选择像素(被设计为选择具体波长或极化)的图像传感器中，减少不同类型的选择像素之间的信号组合可能是有利的。以这种方式，具有相同选择机制的每组像素可以用于形成具有有效像素的空间分辨率的图像。
在一些配置中，可以堆叠由相同材料制造的米氏光电传感器，使得每个米氏光电传感器对期望的波长范围内的光具有高吸收概率，而同时对其他波长在很大程度上保持透明。以这种方式，成像阵列可以更高效地使用传入信号。另外，可以使用较小的像素，从而不仅便于收集更高频率的空间信息，而且便于收集更多种类的波长信息。利用这种较小的像素，可以极大地降低米氏光电传感器的半导体结面积，从而减小结饱和电流，并且转而降低传感器的最小灵敏度。效率的提高可以导致较低的噪声、较低的强度阈值、或较小的阵列区域。堆叠的光电传感器还可以使得能够利用成像系统中出现的色差。色差导致来自物平面的不同颜色到达不同像平面中的焦点。这种布置允许不太昂贵和复杂的光学器件、或者替代地更高分辨率图像。通过设计具有工程色差的光学器件，无需任何滤色的颜色图像成为可能。
III.E来自米氏光电传感器的性能改善
米氏光电传感器在至少三个方面克服了常规光电传感器当前所遇到的约束：1)图像质量，2)三维像素尺寸，以及3)功能。
米氏光电传感器对图像质量具有显著影响，因为它们可以相对于传统光电传感器改善测量灵敏度、动态范围和响应时间。在各种实施方式配置下，它们可以用于进一步减少噪声，增强空间分辨率并且改善图像对比度。此外，它们消除了在因照度低而需要长的积分时间的应用中，使用小像素所产生的关键挑战。
米氏光电传感器解决了大幅减小像素的三维尺寸的挑战。米氏光电传感器被制造成：横向于入射光的尺寸约等于或小于要检测的光的波长。同样重要的是，米氏光电传感器能够被实施为具有小于1/α的厚度。结合当前的半导体平面化技术，这种更薄的光电传感器的阵列递送较小的焦深，这转而使得利用这种小像素变得容易。
米氏光电传感器还以很多关键方式改善了功能。首先，米氏光电传感器对SWaP有显著影响。对于一些应用，较小和较薄的阵列可以转化为利用较小f数光学器件。较小f数光学器件可以显著地更加紧凑。米氏光电传感器降低了每个像素的功耗，从而降低了成像器件的总体功率要求，或者替代地，使得能够增加像素计数，同时使功耗增加最小化。
附加地，在波长或极化方面表现出不同谐振的米氏光电传感器意味着：不同的传感器可以对不同类型的光具有固有灵敏度。使用常规的光电传感器，使用过滤来实现波长或极化特异性。这种途径去除了除指定类型的光之外的承载信息的入射光。不是消除其他光，米氏传感器可以被认为是从传入流中提取指定光，并且允许附近、相邻或后面的米氏光电传感器继续测量光的其他方面。因此，对入射光的一个或多个特征表现出谐振的米氏光电传感器被称为选择米氏光电传感器。这样，变得可能使用米氏光电传感器开发紧凑的低功率器件，以用于图像检测和多个高分辨率成像模态的芯片级别集成，以进行快速移动场景的迅速数据收集。
此外，米氏光电传感器可以减少常规传感器技术所遇见的很多填充因子问题，在常规传感器技术中，像素中光敏区域的百分比直接影响传感器的灵敏度和捕获图像的信噪比。因此，有更大的机会将计算机视觉预处理功能嵌入在芯片上，同时限制传感器尺寸和功耗的扩展。
III.F应用
小尺寸、高速度和与硅制造技术的兼容性表明，可以将米氏光电传感器作为单个检测器或检测器阵列，实施为用于光学传送信号的接收器。特别地，可以将米氏光电传感器制造为组成计算机组件的个体集成电路的部分，从而简化了组件内的、CPU板上和计算机背板上的组件之间的信息传输速率的提高。
使用光学器件进行成像或使用米氏光电传感器阵列进行接触成像的优势包括提高的空间分辨率、增加的对比度、较小的相机封装、光谱灵敏度、基于极化的成像、具有较低功率输入要求的成像等。这些优势递送在很多应用中增强的性能，该很多应用包括：用于消费电子产品的成像、用于内窥镜和外科机器人的医学成像、工业成像和机器视觉、用于包括自动驾驶车的汽车应用的成像、以及用于安全和防卫应用的成像。
米氏光电传感器的高速度表明，它对于光学飞行时间测量具有特殊价值。个体米氏光电传感器可以被实施为物体跟踪和撞碰预测的部分。通过实施为阵列，米氏光电传感器可以以这种方式用作三维场景重构的手段。
低光灵敏度与以开路模式实施的米氏光电传感器的对数响应相结合表明了在近暗到亮光条件下成像的实用性。这样的范围在汽车相机、监视成像工具和很多工业应用中时常找到。

Claims (27)

1.一种米氏光电传感器，包括：
材料层，具有第一折射率并且包括半导体材料的台面，所述台面被配置为响应于电磁扰动而在所述半导体材料内生成自由载流子；
折射介质，包围所述材料层并且具有复折射率，所述折射介质和所述台面形成：(i)界面，所述界面具有跨所述界面的不连续的折射率，以及(ii)电磁散射中心，所述电磁散射中心被配置用于经由在所述散射中心处的所述电磁扰动的米氏谐振和光学吸收来生成自由载流子；以及
一个或多个电接触部，耦合到所述台面，并且被配置为感测响应于所述电磁扰动而在所述散射中心内生成的自由载流子。
2.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中半导体层的所述台面形成具有一组边界的几何形状，并且所述电磁散射中心形成在所述边界处，使得所述电磁散射中心包括所述台面的所述半导体材料。
3.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中半导体材料的所述台面形成具有一组边界的几何形状，并且所述电磁散射中心形成在边界内，使得所述电磁散射中心包括所述台面的所述半导体材料的某个部分。
4.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中半导体材料的所述台面是掺杂的硅。
5.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，半导体的所述台面是掺杂的半导体材料，所述掺杂的半导体材料包括以下中的任一项：砷化镓、磷化镓、氮化镓、碲化镉或硫化镉。
6.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述材料层包括硅。
7.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述材料层包括二氧化硅。
8.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述材料层包括半导体材料。
9.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述材料层包括绝缘材料。
10.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述材料层包括以下中的任一项：碳、砷化镓、碲化汞镉、硅化铂、锗或溴化铊。
11.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中半导体材料的所述台面具有50nm和250nm的高度，所述高度是在相对于所述材料层的表面的垂直方向上测量的。
12.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中半导体材料的所述台面在第一方向上具有在10nm至80nm之间的特征尺寸，在第二方向上具有在10nm至80nm之间的特征尺寸，所述第一方向和所述第二方向彼此正交并且平行于所述半导体层的表面。
13.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中电磁散射中心被配置为吸收特定波长的电磁扰动，并且所述电磁散射中心的尺寸与电磁扰动的所述特定波长成比例。
14.根据权利要求13所述的米氏光电传感器，其中所述散射中心的所述尺寸与电磁扰动的所述特定波长之间的比例基于以下中的任一项：所述尺寸、所述特定波长和折射率。
15.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中电磁散射中心被配置为吸收特定极化的电磁扰动，并且所述电磁散射中心的尺寸与电磁扰动的所述特定波长成比例。
16.根据权利要求10所述的米氏光电传感器，其中所述散射中心的所述尺寸与电磁扰动的所述特定极化之间的比例基于以下中的任一项：所述尺寸、所述特定极化和折射率。
17.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中：
所述材料层具有第一折射率，
半导体材料的所述台面具有第二折射率，
所述折射介质具有第三折射率，并且
所述第三折射率小于所述第一折射率和所述第二折射率。
18.根据权利要求17所述的米氏光电传感器，其中所述第一折射率与所述第二折射率相同。
19.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述折射介质是二氧化硅。
20.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述折射介质是低折射率材料，所述低折射率材料包括以下中的任一项：空气、油或水。
21.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述一个或多个电接触部中的第一接触部与半导体材料的所述台面形成欧姆接触，并且所述一个或多个电接触部中的第二接触部与半导体材料的所述台面形成肖特基势垒。
22.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述一个或多个电接触部中的第一接触部与半导体材料的所述台面形成欧姆接触，并且所述一个或多个电接触部中的第二接触部与半导体材料的所述台面形成pn结。
23.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述一个或多个电接触部中的第一接触部和第二接触部与半导体材料的所述台面形成欧姆接触。
24.根据权利要求23所述的米氏光电传感器，其中所述米氏光电传感器包括在所述折射材料与半导体材料的所述台面之间的边界处的pn结。
25.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中：
所述电磁散射中心在谐振水平处吸收特定波长的电磁扰动，并且生成与所述谐振水平相对应的第一数量的自由载流子，
所述电磁散射中心在非谐振水平处吸收不同波长的电磁扰动，并且生成与所述非谐振水平相对应的第二数量的自由载流子，并且
自由电子的所述第一数量大于自由电子的所述第二数量。
26.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述电磁散射中心中的所述电磁扰动的吸收高于所述半导体层和所述折射介质两者中的所述电磁扰动的吸收。
27.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中：
通过所述电磁散射中心中的所述电磁扰动的吸收生成第一数量的自由载流子，
通过所述半导体层中的所述电磁扰动生成第二数量的载流子，并且
自由载流子的所述第一数量大于自由载流子的所述第二数量。
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