CN112614867A - 一种堆叠式彩色图像传感器及其单片集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种堆叠式彩色图像传感器及其单片集成方法，所述堆叠式彩色图像传感器包括：衬底和位于衬底上的像素阵列，像素阵列由多层像素结构堆叠而成，相邻像素结构之间设置有透光绝缘层；像素结构包括读出电路阵列、感光层和电极层，感光层位于读出电路阵列和电极层之间；透光绝缘层、读出电路阵列和电极层均采用二维层状材料制成。本发明能够缩小感光层之间的距离，从而降低堆叠式彩色图像传感器的像素尺寸、提高其分辨率，而且，还可以提升感光层间堆叠界面的质量、降低界面态，从而减少暗电流的产生。

Description

一种堆叠式彩色图像传感器及其单片集成方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及一种堆叠式彩色图像传感器及其单片集成方法。

背景技术

图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中，其中，半导体彩色图像传感器一直朝着高集成度和低成本的方向发展，具有巨大的市场需求。目前应用最广泛的半导体彩色图像传感器包括彩色滤片阵列(CFA-Color Filter Array)图像传感器、薄膜技术(TFA-Thin film on ASIC)图像传感器和Foveon X3技术下的无滤片彩色CMOS图像传感器(FCS-Filterless Color Sensor)。

彩色滤片阵列图像传感器和薄膜技术图像传感器是将拜尔滤色镜（Bayerfilters）加装在感光单元上。与传统的基于拜尔滤色镜的彩色图像传感器相比，堆叠式彩色图像传感器无需用于分色的棱镜或者滤色镜，且可以在相同像素数量下提供更高的分辨率。高质量的堆叠式彩色图像传感器具有多层传感器，要求每层传感器对RGB光不同波段有较高的吸收选择性，以保证良好的光谱特性。

多层传感器中感光层之间的距离影响图像传感器的像素尺寸和分辨率，缩小感光层之间的距离可以降低堆叠式彩色图像传感器的像素尺寸，从而提高其分辨率。而提升感光层间堆叠界面的质量、降低界面态，可以进一步减少堆叠式彩色图像传感器的暗电流。如何缩小感光层之间的距离和提升感光层间堆叠界面的质量，成为本领域的两大技术难题。

发明内容

为了解决上述部分或全部技术问题，本发明的目的在于：提供一种堆叠式彩色图像传感器及其单片集成方法，能够缩小感光层之间的距离，从而降低堆叠式彩色图像传感器的像素尺寸、提高其分辨率，而且，还可以提升感光层间堆叠界面的质量、降低界面态，从而减少暗电流的产生。

为达到上述全部或部分目的，本发明提供如下技术方案：

一种堆叠式彩色图像传感器，包括：

衬底和位于所述衬底上的像素阵列，所述像素阵列由多层像素结构堆叠而成，相邻所述像素结构之间设置有透光绝缘层；

所述像素结构包括读出电路阵列、感光层和电极层，所述感光层位于所述读出电路阵列和所述电极层之间；

所述透光绝缘层、读出电路阵列和电极层均采用二维层状材料制成。

本发明采用二维层状材料制成的透光绝缘层、读出电路阵列和电极层作为像素阵列中感光层与感光层之间的堆叠材料。二维层状材料本身具有原子级厚度，获得了超薄属性，因此，可以在很大程度上减小透光绝缘层、读出电路阵列和电极层的厚度，从而缩小像素阵列中感光层与感光层之间的距离，降低堆叠式彩色图像传感器的像素尺寸，提高其分辨率。而且，二维层状材料表面无悬挂键，不存在陷阱态，二维层状材料的堆叠界面不受陷阱态对光电子陷阱的影响。陷阱态容易造成暗电流以及电子不完全转移的问题，因此，使用二维层状材料作为像素阵列中感光层与感光层之间的堆叠材料，可以提升感光层间堆叠界面的质量、降低界面态，从而减少暗电流的产生。而现有技术中通常使用ITO、SU8光刻胶、Si₃N₄和SiO₂等材料作为感光层与感光层之间的堆叠材料，无法缩小感光层之间的距离，也无法改善暗电流的问题。

多层所述像素结构中不同层的感光层对不同波段的光具有吸收选择性。通过至少两层像素结构中感光层对不同波段的光的吸收选择，可以提高堆叠式彩色图像传感器的光谱特性。

所述像素阵列由第一、第二、第三像素结构堆叠而成。通过三层像素结构中感光层对不同波段的光的吸收选择，可以更好地提高堆叠式彩色图像传感器的光谱特性。第一像素结构的感光层为吸收蓝光波段的蓝色感光层，第二像素结构的感光层为吸收绿光波段的绿色感光层，第三像素结构的感光层为吸收红光波段的红色感光层。三层像素结构的感光层分别对蓝光、绿光和红光波段进行吸收，使用三基色像素结构堆叠成像素阵列，可以提高彩色图像传感器的光显指数，在相同像素数量下提供更高的分辨率，而且还可以保证所形成的堆叠式彩色图像传感器具有优异的光谱特性。

所述感光层为有机光电导薄膜。有机光电导薄膜的厚度小，能够进一步降低堆叠式彩色图像传感器的尺寸，使彩色图像传感器的集成度得到提高。所述有机光电导薄膜OPFs具有对RGB颜色敏感的特性，相比于传统的采用厚度为3μm的背照式感光元件BSI作为背照式传感器中的感光层，有机光电导薄膜OPFs有效地将感光层厚度降低到150nm，从而留下了更多的电荷存储空间，所述彩色图像传感器的满井容量得到了有效提升。

所述读出电路阵列包括读出晶体管、介电层、钝化层、像素电极、栅电极和信号读出线；所述像素电极连接所述感光层，所述读出晶体管连接所述像素电极，所述信号读出线连接所述读出晶体管；所述栅电极和所述读出晶体管之间通过所述介电层连接；所述钝化层位于所述读出晶体管和所述感光层之间。所述读出电路阵列中的像素电极用于与感光层另一侧的电极层配合，使感光层两侧的电极间产生电流回路，在光照下，探测电流变化来实现光探测。所述读出晶体管用于配合栅电极控制线，进行信号读出的选择。所述信号读出线用于电信号的导出，与后端的电信号处理电路连接。所述栅电极为读出晶体管的栅电极，所述介电层用作读出晶体管的栅介质层。所述钝化层用于隔绝读出晶体管及其电路与感光层，所述读出晶体管被所述介电层和钝化层封装保护。

所述读出晶体管为半导体材料层，所述半导体材料层所使用的二维层状材料包括二硫化钼、硒化铟、黑磷、二硒化钨中的其中一种或者多种。使用上述二维层状材料形成的半导体材料层的厚度可以薄至纳米级。

所述电极层、像素电极、栅电极和信号读出线所使用的二维层状材料为石墨烯。石墨烯二维层状材料的厚度薄、比表面积大，且石墨烯的物理结构稳定、透光性好、迁移率高，同时具有优异的电学性质，可以用于制备电极层、像素电极、栅电极和信号读出线。石墨烯可以有效透光，从而提升光线利用效率。

所述透光绝缘层、介电层和钝化层所使用的二维层状材料为六方氮化硼。六方氮化硼二维层状材料的厚度薄，且具有良好的介电性、绝缘性和导热性，可以用于透光绝缘层、介电层和钝化层的制备。

本发明还提供一种堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法，包括以下步骤：步骤一：提供一衬底，在所述衬底上制备一层像素结构，作为第一像素结构；步骤二：在所述第一像素结构上转移第一透光绝缘层，在所述第一透光绝缘层上制备一层像素结构，作为第二像素结构；所述第一像素结构和第二像素结构均包含有感光层、读出电路阵列和电极层；所述像素结构堆叠形成像素阵列，得到堆叠式彩色图像传感器。

本发明提供的堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法为制备至少两层像素结构，即第一像素结构和第二像素结构，并通过第二像素结构和第一像素结构之间设置透光绝缘层来隔绝两层像素结构，特别是用于隔绝相邻两个像素结构中不同的感光层。通过像素结构堆叠形成像素阵列，最终得到堆叠式彩色图像传感器。

所述堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法还包括：步骤三，在所述第二像素结构上转移第二透光绝缘层，在所述第二透光绝缘层上制备一层像素结构，作为第三像素结构；所述第三像素结构包含有感光层、读出电路阵列和电极层。通过三层像素结构中感光层对不同波段的光的吸收选择，可以保证所形成的堆叠式彩色图像传感器具有更好的光谱特性。

所述透光绝缘层、读出电路阵列和电极层均采用二维层状材料制成。所述二维层状材料的制备方法为机械剥离法或化学气相沉积法。利用机械剥离法或化学气相沉积法可以制备大面积的二维层状材料，其中，部分二维层状材料例如石墨烯和六方氮化硼等已经可以实现米级单晶的制备。

所述像素结构的制备方法为：提供一读出电路阵列，在所述读出电路阵列表面制备感光层，在所述感光层表面转移一层电极层材料。所述像素结构包括读出电路阵列、感光层和电极层，当在所述读出电路阵列表面制备感光层时，读出电路阵列位于所述感光层的下方，可以避免感光层进行光吸收时，上方的读出电路阵列对光吸收过程的影响。

所述读出电路阵列的制备过程为：将栅电极、介电层、读出晶体管、像素电极、信号读出线和钝化层材料依次转移至另一衬底上，在每一次转移步骤之后对该步骤所转移的材料进行刻蚀形成所需的形状。

所述感光层的制备工艺为低温沉积或蒸发工艺。采用低温沉积或蒸发工艺来制备感光层，可以使得堆叠工艺的温度降低，有利于保持感光层如有机光电导薄膜的性质稳定，防止在单片集成过程中感光层的性质被破坏。

所述透光绝缘层、电极层、栅电极、介电层、读出晶体管、像素电极、信号读出线和钝化层材料的转移工艺采用低温转移工艺。本发明采用低温转移工艺对上述各层材料进行转移，通过转移过程的温度控制，可以使得堆叠工艺的温度降低，有利于保持感光层如有机光电导薄膜的性质稳定，防止在单片集成过程中感光层的性质被破坏。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1、本发明采用二维层状材料制成的透光绝缘层、读出电路阵列和电极层作为像素阵列中感光层与感光层之间的堆叠材料，利用二维层状材料具有原子级超薄厚度和表面无悬挂键的特点，缩小了堆叠式彩色图像传感器中感光层与感光层之间的距离，缩短了光程从而提高了图像传感器的灵敏度，同时，降低了图像传感器的像素尺寸、提高了分辨率，而且还减少了图像传感器的暗电流。

2、本发明采用低温转移工艺对透光绝缘层、电极层、栅电极、介电层、读出晶体管、像素电极、信号读出线和钝化层等材料进行转移，通过转移过程的温度控制，可以使得堆叠工艺的温度降低，有利于保持感光层如有机光电导薄膜的性质稳定，防止在单片集成过程中感光层的性质被破坏。

3、本发明单片集成的堆叠式彩色图像传感器在不包括衬底的情况下，总的器件厚度可以控制在10μm以内，极大地提升了半导体彩色图像传感器的集成度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅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为本发明实施例一中堆叠式彩色图像传感器的剖面结构示意图。

图2为本发明实施例一中堆叠式彩色图像传感器结构中区域A的放大示意图。

图3为本发明实施例一中堆叠式彩色图像传感器的2*2像素的读出电路阵列顶视图。

图4为本发明实施例二中第三像素结构的单个像素的制备方法示意图。

附图标记：001-红色感光层；002-绿色感光层；003-蓝色感光层；004-读出电路阵列；005-透光绝缘层；006-介电层；007-钝化层；008-电极层；009-像素电极；010-栅电极；011-信号读出线；012-读出晶体管；013-衬底。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖 直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。以下实施例中的步骤与发明内容中的步骤并不一一对应。

实施例一

本发明提供的一实施例，其堆叠式彩色图像传感器的结构请参照图1至图3，所述堆叠式彩色图像传感器包括衬底013和位于所述衬底013上的像素阵列，所述像素阵列由三层像素结构堆叠而成，相邻所述像素结构之间设置有透光绝缘层005。在其他实施例中，所述像素阵列可以由两层像素结构堆叠而成，或者由四层以上像素结构堆叠而成，像素结构的数量可以根据彩色图像传感器的不同要求进行调整。在其他实施例中，在衬底013和像素结构之间也可以设置有透光绝缘层005。

所述像素结构包括读出电路阵列004、感光层和电极层008，所述感光层位于所述读出电路阵列004和所述电极层008之间；在本实施例中，电极层008作为像素结构的顶层材料，读出电路阵列004则作为像素结构的底层材料。在其他实施例中，所述像素结构也可以将读出电路阵列004作为像素结构的顶层材料，电极层008则作为像素结构的底层材料。

所述像素阵列中的三层像素结构的感光层设置如下：第一像素结构的感光层为吸收蓝光波段的蓝色感光层003，第二像素结构的感光层为吸收绿光波段的绿色感光层002，第三像素结构的感光层为吸收红光波段的红色感光层001。当然，所述第一、第二和第三像素结构中感光层吸收光波段的种类可以进行调整，例如第一像素结构的感光层为吸收红光波段的红色感光层，第二像素结构的感光层为吸收绿光波段的绿色感光层，第三像素结构的感光层为吸收蓝光波段的蓝色感光层。在其他实施例中，三种感光层的吸收波段也可以进行其他的选择。在其他实施例中，例如采用两层像素结构堆叠形成像素阵列时，可以使用对蓝光波段进行吸收的蓝色感光层和对黄光波段进行吸收的黄色感光层分别作为第一像素结构和第二像素结构的感光层。

在本实施例中，蓝色感光层003、绿色感光层002、红色感光层001均为光电导薄膜OPFs，根据需要还可以采用其他材料作为感光层对光进行吸收。所述衬底013为透明玻璃衬底，在其他实施例中可以根据需要进行具体选择。

参照图2和图3，图2示意的是图1中区域A即第三像素结构的放大图，以单个像素为例。图3示意的是2*2像素的读出电路阵列顶视图，即以四个像素为例，所述四个像素的读出电路阵列呈2*2排列分布。

以图3中单个像素的读出电路为例，所述读出晶体管012连接所述像素电极009，所述信号读出线011连接所述读出晶体管012；所述栅电极010为控制线，位于所述读出晶体管012的下方，用于控制所述读出晶体管012。

图2中的区域B为以单个像素为例的读出电路部分。第三像素结构中的读出电路阵列004包括读出晶体管012、介电层006、钝化层007、像素电极009、栅电极010和信号读出线011；所述像素电极009连接所述红色感光层001，所述读出晶体管012连接所述像素电极009，所述信号读出线011连接所述读出晶体管012；所述栅电极010和所述读出晶体管012之间通过所述介电层006连接；所述钝化层007位于所述读出晶体管012和所述红色感光层001之间。

所述读出晶体管012、电极层008、像素电极009、栅电极010、信号读出线011、透光绝缘层005、介电层006和钝化层007均采用二维层状材料制成。

在本实施例中，所述读出晶体管012为半导体材料层，所述半导体材料层所使用的二维层状材料为二硫化钼。在其他实施例中，还可以采用硒化铟、黑磷、二硒化钨等二维层状材料中的其中一种或者多种作为半导体材料。

在本实施例中，所述电极层008、像素电极009、栅电极010和信号读出线011所使用的二维层状材料为石墨烯。在其他实施例中，还可以采用其他具有导电性的材料作为电极材料和读出线材料，或者使用不同的具有导电性的二维层状材料分别制备电极和读出线。

在本实施例中，所述透光绝缘层005、介电层006和钝化层007所使用的二维层状材料为六方氮化硼。在其他实施例中，还可以采用其他具有绝缘、介电和钝化性能的材料作为透光绝缘层005、介电层006和钝化层007材料，或者使用不同的材料分别制备透光绝缘层005、介电层006和钝化层007。

本实施例彩色图像传感器的结构从底层至顶层排列顺序如下：衬底013、读出电路阵列004、蓝色感光层003、电极层008、透光绝缘层005、读出电路阵列004、绿色感光层002、电极层008、透光绝缘层005、读出电路阵列004、红色感光层001、电极层008。

实施例二

以实施例一中的堆叠式彩色图像传感器为例，本实施例提供一种堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法，包括以下步骤（以下步骤顺序并不用于限定步骤进行的先后，仅是为了描述的方便、简洁）：

第一步、通过化学气相沉积法制备所述透光绝缘层005、电极层008、栅电极010、介电层006、读出晶体管012、像素电极009、信号读出线011和钝化层007使用的二维层状材料。在其他实施例中，还可以采用机械剥离法制备所述二维层状材料。

第二步、制备读出电路阵列004：将所述栅电极010、介电层006、读出晶体管012、像素电极009、信号读出线011和钝化层007使用的二维层状材料通过低温转移工艺依次转移堆叠至一衬底上，在每一次转移步骤之后对该步骤所转移的材料进行刻蚀形成所需的形状，得到读出电路阵列004。制备三片读出电路阵列004备用。

第三步、提供另一衬底013，将第一片读出电路阵列004通过低温转移工艺转移至该衬底013上。

第四步、在读出电路阵列004表面通过低温沉积工艺制备蓝色感光层003。在其他实施例中，还可以采用蒸发等工艺制备蓝色感光层003。

第五步、将电极层008通过低温转移工艺转移至蓝色感光层003的表面，得到第一像素结构。

第六步、将透光绝缘层005通过低温转移工艺转移至第一像素结构的电极层008表面。以第一像素结构上的透光绝缘层005为衬底，将第二片读出电路阵列004通过低温转移工艺转移至该透光绝缘层005上。在读出电路阵列004表面通过低温沉积工艺制备绿色感光层002。在其他实施例中，还可以采用蒸发等工艺制备绿色感光层002。将电极层008通过低温转移工艺转移至绿色感光层002的表面，得到第二像素结构。

第七步、将透光绝缘层005通过低温转移工艺转移至第二像素结构的电极层008表面。以第二像素结构上的透光绝缘层005为衬底，将第三片读出电路阵列004通过低温转移工艺转移至该透光绝缘层005上。在读出电路阵列004表面通过低温沉积工艺制备红色感光层001。在其他实施例中，还可以采用蒸发等工艺制备红色感光层001。将电极层008通过低温转移工艺转移至红色感光层001的表面，得到第三像素结构。

第一、第二和第三像素结构堆叠形成像素阵列，得到所述堆叠式彩色图像传感器。

所述低温转移工艺中的温度控制在150℃以下，低温转移工艺包括干法转移工艺和湿法转移工艺。本实施例中采用干法转移工艺，在其他实施例中也可以采用湿法转移工艺。关于干法转移工艺和湿法转移工艺的详细步骤可参考Shuai Liu, Kai Yuan, et al.Advanced Electronic Materials, 2018, 5 (2), 1800419.和Kai Yuan, et al.Advanced Functional Materials, 2019, 29 (4): 1904032.和Kai Yuan, et al.Advanced Electronic Materials, 2019, 5 (10): 1900345.和Nano Lett. 2017, 17,2999−3005。上述文件中对干法转移工艺和湿法转移工艺有详细描述。对二维层状材料的低温转移工艺为现有较为成熟的工艺，以下仅作简单描述。

干法转移技术：通过具有温度敏感的粘性有机薄膜例如聚碳酸丙烯酯（PPC）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）来进行二维层状材料的拾取和放下，实现二维层状材料的转移和堆叠。具体方法如下：将载玻片/PDMS/PPC放置在三维位移台上，待转移的二维层状材料薄层制备在衬底M上并置于样品台的热板上。降低载玻片使PPC与衬底M接触，热板加热至40℃~60℃，确保PPC完全和二维层状材料薄层贴合，关闭热板，升起载玻片，二维层状材料离开衬底M。将热板加热至 90℃~110℃，此时 PPC 逐渐融化、粘性变弱，将二维层状材料留在目标衬底N上。

湿法转移技术：在SiO₂衬底上的二维层状材料表面旋涂一层支撑层例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），用腐蚀溶液例如氢氟酸溶液将二维层状材料的衬底SiO₂腐蚀掉，支撑层携带二维层状材料漂浮于腐蚀溶液表面，用目标二维层状材料将其捞出，然后使用丙酮去除支撑层，即可实现二维层状材料的堆叠。

参照图4，以红色感光层001所在的第三像素结构中的单个像素为例，以下所述特征尺寸的范围指的是材料层的长和宽所处的量级范围。所述电路读出阵列004的尺寸例如为1cm*1cm，所述像素电极009的尺寸例如为100μm*100μm。所述第三像素结构中单个像素的制备方法包括以下步骤：

S1：将栅电极010的二维层状材料通过低温转移工艺转移到透光绝缘层005上，按照需要的栅电极形状进行刻蚀，形成栅电极010。栅电极010的厚度为1~10nm，特征尺寸为1~10μm。透光绝缘层005的厚度为1~10μm，特征尺寸为100μm。

S2：将介电层006的二维层状材料通过低温转移工艺转移到栅电极010上进行包覆，所述介电层006的厚度为10~30nm，特征尺寸为10~100μm。

S3：将读出晶体管012的二维层状材料通过低温转移工艺转移到介电层006上，按照需要的读出晶体管形状进行刻蚀，并且，所述读出晶体管012与栅电极010在垂直方向上重叠。所述读出晶体管012的厚度为1~20nm，特征尺寸为1~10μm。

S4：将像素电极009的二维层状材料通过低温转移工艺转移到介电层006上，并与读出晶体管012接触，对其按照像素电极的形状进行刻蚀。像素电极009与红色感光层001的下表面接触，并与读出晶体管012接触，在上下电极间产生电流回路，在光照下，通过探测电流变化来实现光探测。像素电极009的厚度为1~5nm，特征尺寸为100μm。其中，像素电极009由石墨烯加少量石墨制备。

S5：将信号读出线011的二维层状材料通过低温转移工艺转移到介电层006上，并与读出晶体管012接触，对其按照信号读出线的形状进行刻蚀，用于电信号的导出，与彩色图像传感器后端的电信号处理电路连接。信号读出线011的厚度为1~10nm，特征尺寸为100μm。

S6：在S5形成的结构上方通过低温转移工艺转移钝化层007的二维层状材料，所述钝化层007覆盖整个信号读出线011、读出晶体管012以及部分像素电极009，避免信号读出线011和读出晶体管012与红色感光层001接触。钝化层007的厚度为10~50nm，特征尺寸为10~100μm。

S7：将红色感光层001通过低温沉积工艺覆盖在S6形成的结构上。所述红色感光层001的厚度为150nm，特征尺寸为100μm。

S8：将电极层008通过低温转移工艺转移至红色感光层001上，作为电极材料对红色感光层001上表面施加偏压，使得上下电极间产生电流回路，在光照下，通过探测电流变化来实现光探测。电极层008的厚度为1~5nm，特征尺寸为100μm。

通过对透光绝缘层005、电极层008、红色感光层001、绿色感光层002、蓝色感光层003、栅电极010、介电层006、读出晶体管012、像素电极009、信号读出线011、钝化层007材料的选取和厚度的控制，除衬底013外，总的器件厚度可控制在10μm以内，有效地缩小了各色感光层之间的距离，进而使得堆叠式彩色图像传感器的像素尺寸缩小，提高彩色图像传感器的分辨率。

综上，本发明提供了一种堆叠式彩色图像传感器及其单片集成方法，采用二维层状材料制成的透光绝缘层005、读出电路阵列004和电极层008作为像素阵列中感光层与感光层之间的堆叠材料，利用二维层状材料具有原子级超薄厚度和表面无悬挂键的特点，缩小了堆叠式彩色图像传感器中感光层与感光层之间的距离，降低了图像传感器的像素尺寸、提高了分辨率，而且还减少了图像传感器的暗电流。通过低温转移工艺对透光绝缘层、电极层、栅电极、介电层、读出晶体管、像素电极、信号读出线和钝化层等材料进行转移，可以使得堆叠工艺的温度降低，有利于保持感光层如有机光电导薄膜的性质稳定，防止在单片集成过程中感光层的性质被破坏。而且，本发明的堆叠式彩色图像传感器在不包括衬底013的情况下，总的器件厚度可以控制在10μm以内，极大地提升了半导体彩色图像传感器的集成度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (16)

1.一种堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，包括：

衬底和位于所述衬底上的像素阵列，所述像素阵列由多层像素结构堆叠而成，相邻所述像素结构之间设置有透光绝缘层；

所述像素结构包括读出电路阵列、感光层和电极层，所述感光层位于所述读出电路阵列和所述电极层之间；

所述透光绝缘层、读出电路阵列和电极层均采用二维层状材料制成。

2.根据权利要求1所述的堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，多层所述像素结构中不同层的感光层对不同波段的光具有吸收选择性。

3.根据权利要求2所述的堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，所述像素阵列由第一、第二、第三像素结构堆叠而成；第一像素结构的感光层为吸收蓝光波段的蓝色感光层，第二像素结构的感光层为吸收绿光波段的绿色感光层，第三像素结构的感光层为吸收红光波段的红色感光层。

4.根据权利要求1-3任一项所述的堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，所述感光层为有机光电导薄膜。

5.根据权利要求1所述的堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，所述读出电路阵列包括读出晶体管、介电层、钝化层、像素电极、栅电极和信号读出线；所述像素电极连接所述感光层，所述读出晶体管连接所述像素电极，所述信号读出线连接所述读出晶体管；所述栅电极和所述读出晶体管之间通过所述介电层连接；所述钝化层位于所述读出晶体管和所述感光层之间。

6.根据权利要求5所述的堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，所述读出晶体管为半导体材料层，所述半导体材料层所使用的二维层状材料包括二硫化钼、硒化铟、黑磷、二硒化钨中的其中一种或者多种。

7.根据权利要求5所述的堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，所述电极层、像素电极、栅电极和信号读出线所使用的二维层状材料为石墨烯。

8.根据权利要求5所述的堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，所述透光绝缘层、介电层和钝化层所使用的二维层状材料为六方氮化硼。

9.一种堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：提供一衬底，在所述衬底上制备一层像素结构，作为第一像素结构；

步骤二：在所述第一像素结构上转移第一透光绝缘层，在所述第一透光绝缘层上制备一层像素结构，作为第二像素结构；

所述第一像素结构和第二像素结构均包含有感光层、读出电路阵列和电极层；

所述像素结构堆叠形成像素阵列，得到堆叠式彩色图像传感器。

10.根据权利要求9所述的堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法，其特征在于，还包括：步骤三，在所述第二像素结构上转移第二透光绝缘层，在所述第二透光绝缘层上制备一层像素结构，作为第三像素结构；所述第三像素结构包含有感光层、读出电路阵列和电极层。

11.根据权利要求9或10所述的堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法，其特征在于，所述透光绝缘层、读出电路阵列和电极层均采用二维层状材料制成。

12.根据权利要求11所述的堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法，其特征在于，所述二维层状材料的制备方法为机械剥离法或化学气相沉积法。

13.根据权利要求9或10所述的堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法，其特征在于，所述像素结构的制备方法为：提供一读出电路阵列，在所述读出电路阵列表面制备感光层，在所述感光层表面转移一层电极层材料。

14.根据权利要求13所述的堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法，其特征在于，所述读出电路阵列的制备过程为：将栅电极、介电层、读出晶体管、像素电极、信号读出线和钝化层材料依次转移至另一衬底上，在每一次转移步骤之后对该步骤所转移的材料进行刻蚀形成所需的形状。

15.根据权利要求13所述的堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法，其特征在于，所述感光层的制备工艺为低温沉积或蒸发工艺。

16.根据权利要求14所述的堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法，其特征在于，所述透光绝缘层、电极层、栅电极、介电层、读出晶体管、像素电极、信号读出线和钝化层材料的转移工艺采用低温转移工艺。

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