CN113206113A - 具有通过倒锥体提高的量子效率的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
具有通过倒锥体提高的量子效率的图像传感器包括半导体衬底和多个微透镜。半导体衬底包括像素阵列。每个像素用于将入射在像素上的光转换为电输出信号，半导体衬底具有用于接收光的顶表面。顶表面在每个像素中形成多个倒锥体。多个微透镜设置在顶表面上方并且分别与多个倒锥体相对准。
Description
技术领域
本公开涉及图像传感器技术领域，更特别地涉及通过倒锥体提高量子效率的图像传感器。
背景技术
图像传感器，诸如电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，将入射光转换为电荷。图像传感器的量子效率是在图像传感器中产生电荷载流子的入射光子的百分比。对于一个图像传感器的每个像素，量子效率由多个因素的组合定义，包括入射光被引导到像素的光电二极管的效率(即外部量子效率)和光电二极管将光子转换为电荷载流子的效率(即内部量子效率)。因此，图像传感器的量子效率可以取决于例如入射光的波长、图像传感器的材料特性、结合在像素中的滤色器的性能(至少在彩色图像传感器的情况下)以及像素的光电二极管与微透镜之间的几何关系，微透镜用于将入射光聚焦到光电二极管上。
当图像传感器被部署在弱光条件下时，图像传感器的量子效率可能是实现期望性能的关键参数。一个这样的示例是用于对红外光谱中的场景成像的夜视相机。相关的示例是昼夜监控，其中同一台相机用于(a)在白天，基于可见光对场景进行成像和(b)在夜间，基于红外光对黑暗处的同一场景进行成像，红外光在图像传感器的半导体材料中转换为电荷的效率较低。
发明内容
在一个实施例中，具有通过倒锥体而增强的量子效率的图像传感器包括半导体衬底和多个微透镜。半导体衬底包括像素阵列。每个像素用于将入射在像素上的光转换为电输出信号，半导体衬底具有用于接收光的顶表面。顶表面在每个像素中形成多个倒锥体。多个微透镜设置在顶表面上方并且分别与多个倒锥体相对准。
附图说明
图1示出了根据实施例的具有通过每个像素的多个倒锥体和相应的多个微透镜而增强的量子效率的图像传感器。
图2和图3进一步详细示出了图1的图像传感器。
图4示出了图像传感器的配置，其中每个像素仅具有一个倒锥体和一个微透镜。
图5示出了另一图像传感器的配置，其中每个像素仅具有一个倒锥体和一个微透镜，但是其中微透镜已经收缩以更紧密地聚焦近红外光。
图6示出了图像传感器的配置，其中每个像素具有多个倒锥体，但仅一个微透镜。
图7示出了根据实施例的近红外优化图像传感器，其中每个像素具有多个倒锥体和相应的多个微透镜。
图8是根据实施例的具有100％填充因子的微透镜阵列的俯视图。
图9示出了根据实施例的近红外优化图像传感器，其中每个像素具有多个倒锥体和相应的多个微透镜，其中每个倒锥体被平面表面包围。
图10是图9的半导体衬底的一个示例的像素的俯视图。
图11是图9的半导体衬底的另一示例的像素的俯视图。
图12和图13示出了根据实施例的彩色图像传感器，其具有通过每个像素的多个倒锥体和相应的多个微透镜而增强的量子效率。
图14示出了根据实施例的彩色图像传感器，其具有通过每个像素的多个倒锥体和相应的多个微透镜而增强的量子效率，其中，对于所有像素，微透镜是相同的。
图15示出了根据实施例的另一彩色图像传感器，其具有通过每个像素的多个倒锥体和相应的多个微透镜而增强的量子效率，其中，微透镜被定制以针对每种颜色独立地优化量子效率增强。
图16是图14的图像传感器的示例的对于不同的微透镜高度，对于近红外光和绿光的量子效率的图。
图17绘出了图5的图像传感器的示例对于微透镜的不同填充因子，对于近红外光和绿光的量子效率的图。
图18将图16的近红外结果与图4的图像传感器的示例的近红外量子效率进行对比。
图19描绘了图4的图像传感器的示例随着微透镜和半导体衬底之间的距离变化的近红外量子效率。
具体实施方式
图1以截面图示出了一个图像传感器100，此图像传感器100的量子效率通过图像传感器100的每个像素的多个倒锥体和相应的多个微透镜而增强。图像传感器100包括半导体衬底110和微透镜阵列130。图像传感器100可以是正面照明的或背面照明的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。半导体衬底110包括多个像素112。每个像素112将入射在像素112上的光182转换为电输出信号188。半导体衬底110具有光接收顶表面114，光接收顶表面114在每个像素112中形成多个倒锥体120。微透镜阵列130设置在顶表面114上并且包括多个微透镜132。微透镜阵列130在设置在顶表面114上的光传输层136中实现。每个微透镜132与相应的倒锥体120对准。半导体衬底110可以是具有掺杂和/或导电区域以形成像素112的硅基衬底。
对于每个像素112，像素112的倒锥体120与设置在像素112的倒锥体120上方的微透镜132协作，以增强图像传感器100的量子效率。更特别地，倒锥体120和微透镜132增强图像传感器100的外部量子效率。倒锥体120减少由于半导体衬底110的表面处的反射而损失的光182的量。例如，当半导体衬底110基本上由硅组成并且光传输层136的折射率为1.5(通常对于聚合物而言)时，在近红外光谱中(即在700和1400纳米之间)，垂直入射在顶表面114上的光的反射系数在16％和18％之间。应当指出，该计算是基于几何光学的，并且忽略可能例如由倒锥体120所导致的任何子波长效应，倒锥体120的大小与入射光的波长在同一量级上。每个像素112包括多个倒锥体120和微透镜132提高了像素112受益于倒锥体120所提供的反射损耗减少的程度。与(a)每个像素具有仅一个倒锥体和仅一个微透镜的图像传感器，以及(b)每个像素具有多个倒锥体和仅一个微透镜的图像传感器中的任一个相比，这些效果相结合以增强图像传感器100的外部量子效率。在某些实施例中，为近红外光谱中的量子效率增强而优化图像传感器100的倒锥体120和微透镜132的配置。但是，可以针对特别感兴趣的其他波长范围优化量子效率的增强。另外，可以优化图像传感器100的倒锥体120和微透镜132的配置，以用于近红外光谱中的量子效率增强，同时还实现可见光谱中的良好量子效率。
光传输层136可以包括一个或多个波长滤波器。在一个实施例中，图像传感器100是单色图像传感器。在这个实施例中，图像传感器100可以被优化用于近红外光的成像，例如700-1000纳米光谱范围内的光。当图像传感器100的单色实施例被优化用于近红外光成像时，光传输层136可以包括在微透镜132和顶表面114之间的波长滤波器，其透射近红外光并且至少部分地阻挡可见光。可替代地，在为成像近红外光而优化的图像传感器100的单色实施例中，光传输层136可以至少在可见光和近红外光谱范围内基本光学透明。在另一实施例中，图像传感器100是彩色图像传感器，其中像素112包括专用于检测诸如红色、绿色、蓝色和近红外的相应多种颜色的光的像素112的多个组。在该实施例中，光传输层136可以包括在微透镜132和顶表面114之间的滤色器阵列。
在本公开中，红色、绿色和蓝色常用作多种不同颜色的示例。可以理解，红色、绿色和蓝色可以被另一组颜色代替，例如(a)另一组三种颜色(例如，红色、黄色和蓝色，或者青色、黄色和品红色)，或(b)一组四种颜色(例如，青色、黄色、绿色和品红色)。
图1描绘了示例使用场景中的图像传感器100，其中图像传感器100被部署在相机102中，相机102被设置为在夜间对场景180成像。相机102用于通过检测来自场景180的近红外光来捕获场景180的图像。因此，在描绘的示例使用场景中，光182在近红外光谱中。相机102包括图像传感器100和成像物镜170。成像物镜170可以是单透镜或包括多个光学元件的复合透镜系统。基于近红外光的夜间成像通常是弱光场景，因此在合理的短曝光时间内获得足够的图像亮度可能是有挑战性的。另外，用于将硅(半导体衬底110的光敏材料的一个示例)中的光转换为电荷的内部量子效率在约1000纳米处急剧下降。相机102受益于图像传感器100的增强的量子效率，以能够至少部分地补偿(a)半导体衬底110的基于硅的实施例的近红外光谱中的光到电荷转换的内部量子效率的下降和/或(b)可用于成像的低水平的近红外光。在一个实施方式中，相机102是用于对近红外光成像的单色夜视相机。在另一实施方式中，相机102是彩色相机，用于使用像素112的相应子集来捕获彩色图像和近红外图像。
图2和图3更详细地示出了图像传感器100。图2是图像传感器100的侧视截面图，图3是图像传感器100的俯视图。在下面的描述中，图2和图3最好放在一起查看。在不脱离其范围的情况下，图像传感器100可以包括比图2和图3所示更少或更多的像素112。
在每个像素112中，顶表面114形成N×N个倒锥体120，并且微透镜阵列130具有布置在每个像素112上方的N×N个微透镜132，使得每个微透镜132与相应的倒锥体120对准。尽管图2和图3示出其中N＝3的示例，但是N可以是大于1的任何整数，而不脱离其范围。例如，每个像素112可以具有恰好2×2个倒锥体120，并且微透镜阵列130可以具有设置在每个像素112上的恰好2×2个微透镜132。每个倒锥体120具有在顶点228处会聚的侧面222。顶点228在相应微透镜132的光轴238上。可选地，图像传感器100包括深沟槽隔离218，将每对相邻像素112彼此电隔离。
在一个实施例中，每个像素112在图3的平面中具有正方形的横截面，有边长362，并且每个像素112的倒锥体120的数量N2满足条件N<Lp/(0.8微米)，其中Lp是边长362。此条件允许用于每个微透镜132的至少(0.8微米)×(0.8微米)的覆盖区，并且因此确保可以使用当前可用的微透镜制造技术来制造具有令人满意的聚焦和光收集性能的微透镜132。
倒锥体120可以通过激光干涉光刻和随后的使用反应离子刻蚀然后进行KOH刻蚀的图案转移工艺在半导体衬底110中形成，如Amalraj Peter Amalathas和Maan M.Alkaisi(2018年5月2日)在“Fabrication and Replication of Periodic NanopyramidStructures by Laser Interference Lithography and UV Nanoimprint Lithographyfor Solar Cells Applications,Micro/Nanolithography-A Heuristic Aspect on theEnduring Technology”，Jagannathan Thirumalai，IntechOpen，DOI：10.5772/intechopen.72534中概述的那样，这可从https://www.intechopen.com/books/micro-nanolithography-a-heuristic-aspect-on-the-enduring-technology/fabrication-and-replication-of-periodic-nanopyramid-structures-by-laser-interference-lithography获得，并且通过引用将其全部内容并入本文。
为了比较的目的，图4示出了图像传感器400的配置，图像传感器400的每个像素412具有仅一个倒锥体120和一个微透镜432。为了图示的清楚，在图4中仅示出了两个像素412和两个对应的微透镜432。像素412通过深沟槽隔离218彼此电隔离。每个微透镜432将绿光(由射线484G指示)聚焦到焦点486G。焦点486G大约位于图像传感器400的半导体衬底410的顶表面414的顶部，即，位于倒锥体120的底部。在倒锥体120内，射线484G从焦点486G发散以入射在倒锥体120的侧面222上。在几何光学考虑下，在侧面222上的第一入射点488G(1)处反射的射线484G的部分由于侧面222的倾斜方向而朝向第二入射点488G(2)反射。因此，倒锥体120有利于单个射线484G两个入射点的存在，这大大减少了由于在顶表面414处的反射而损失的光量。例如，如果对于每个入射点488G进入半导体衬底410的透射系数约为80％，则对于两个入射点488G的组合透射系数约为96％。要注意的是，当倒锥体120的大小与入射光的波长处于相同数量级时，实际的透射系数可能受到几何光学以外的效应的影响。
然而，微透镜432不那么紧密地聚焦近红外光，使得用于近红外光的焦点486IR在倒锥体120下方，并且入射的近红外光的很大一部分入射在顶表面414的平面部分上，倒锥体120以外，如在入射点488IR处被部分反射的射线484IR所示。射线484IR的反射部分丢失。因此，相比于绿光(和其他可见光)，近红外光从倒锥体120受益更少。
图5示出了另一图像传感器500的配置，在图像传感器500的每个像素512中具有仅一个倒锥体120和一个微透镜532，但是其中微透镜532已经收缩(相对于微透镜432)以更紧密地聚焦近红外光。微透镜432是具有曲率半径433的球面透镜。微透镜532是具有曲率半径533的球面透镜。这里，“球面透镜”是指以其透镜表面为截球形为特征的透镜。曲率半径533比曲率半径433小Δ的量。从微透镜532的底部到图像传感器500中的顶表面414的顶部的距离535比从微透镜432的底部到图像传感器400中的顶表面414的顶部的距离435大Δ的量。曲率半径533和距离535配合以将近红外光的焦点586IR放置在图像传感器500中的倒锥体的底部，以避免图像传感器400中的近红外射线484IR经历的反射损失。因此，微透镜532将近红外光(由射线584IR指示)耦合到倒锥体120。绿光(由射线584G指示)的焦点586G在倒锥体120的底部上方，从而使绿光也耦合到倒锥体120。因此，图像传感器500减少了近红外光和绿光在顶表面414处的反射损耗。然而，微透镜532的较小尺寸导致所谓的微透镜532的填充因子小于100％。平面非聚焦表面534存在于微透镜532之间，这导致图像传感器500中的微透镜532的阵列降低了光收集效率。这种光收集效率的损失是由微透镜532的小于1的填充因子引起的，至少部分地抵消了由于微透镜532的更紧密聚焦而造成的反射损失的减少。
图6示出了图像传感器600的配置，图像传感器600的每个像素612具有多个倒锥体120但仅具有一个微透镜432。图像传感器600与图像传感器400相同，除了图像传感器600的每个像素612形成3×3个倒锥体120，不是仅一个中央倒锥体120，使得图像传感器600的半导体衬底610的顶表面614完全由倒锥体120组成(至少在像素612内)。尽管所有的射线(例如，绿色射线484G和近红外光射线484IR)因此都耦合到倒锥体120，但是我们发现图像传感器600中的附加倒锥体120并未导致超过图像传感器400的量子效率的改进。不受理论的束缚下，我们假设这可能至少部分是由于最靠近中央倒锥体120的非中央倒锥体的侧面222的方向不利。例如，在几何光学考虑下，在入射点688IR处入射在这样的侧面222上的射线484IR被部分地从此倒锥体120反射出来，因此不能从第二入射点受益。
再次参照图2和图3，图像传感器100胜过图像传感器400、500和600中的每个。微透镜阵列130具有100％的填充因子，并且每个微透镜132与相应的倒锥体120对准，以受益于光经由相应的倒锥体120进入半导体衬底110的最佳耦合。换句话说，图像传感器100将图像传感器400的基于倒锥体的量子效率增强与图像传感器500的较小微透镜532提供的近红外量子效率增强相结合，而不受微透镜532的小于1的填充因子的缺点的影响。另外，由于每个像素112包括多个倒锥体120而导致的倒锥体120的较高周期性增加了由倒锥体120引起的花瓣耀斑的角度。此效应减少图像传感器100检测到的花瓣耀斑信号。
在此，填充因子为100％是指在相邻的微透镜之间不存在间隙的微透镜阵列。但是，应当理解，与期望的透镜表面轮廓的偏离可能存在于相邻的微透镜之间的边界处，使得例如微透镜阵列区域的仅95-99％是完全起作用的。
在实施例中，每个倒锥体120由四个侧面222形成。可替代地，每个倒锥体120可由不同数量的侧面222形成，例如三个或六个。然而，具有四个侧面222的实施例具有某些优点：(1)在半导体衬底110是硅衬底、锗衬底、硅锗衬底或砷化铟镓衬底的图像传感器100的实施例中，侧面222可以是沿着半导体衬底110的{111}晶面，这使得可以实现侧面222的高质量完成，使暗电流最小化并且制造上可以廉价且可靠，并且(2)可以使倒锥体120之间的死区最小化或消除，这在图像传感器100的一些实施例中是优选的。
侧面222相对于倒锥体120的底部224以角度θb(在图2中标记为260)定向。在一个实施例中，半导体衬底110是硅衬底、锗衬底、硅锗衬底或铟砷化镓衬底，且θb＝54.7°，使得侧面222沿着半导体衬底110的{111}晶面。在此实施例中，侧面222与微透镜132的光轴238成35.3°的角度。更一般地，当不将侧面222固定到{111}晶面时，θb可以在30°和70°之间的范围内，对应于侧面222和光轴238之间的角度在20°和60°之间的范围内。
在图2所示的示例中，倒锥体120占据像素112上方的顶表面114的全部。在不脱离其范围的情况下，并且如下面参考图9至图11更详细地讨论的，相邻的倒锥体120可通过顶表面114的平面部分彼此分开。
图7示出了一个近红外优化图像传感器700的配置，每个像素具有多个倒锥体720和相应的多个微透镜732。图像传感器700是图像传感器100的实施例。图像传感器700包括半导体衬底710，半导体衬底710包括像素712并且具有形成倒锥体720的顶表面714。图像传感器700还包括光传输层736，光传输层736包括微透镜732。半导体衬底710、像素712、顶表面714、倒锥体720、光传输层736和微透镜732分别是半导体衬底110、像素112、顶表面114、倒锥体120、光传输层136和微透镜132的实施例。在图7所示的示例中，图像传感器700的每个像素712具有3×3倒锥体720和3×3微透镜732。更普遍地，图像传感器700的每个像素712可以具有N×N倒锥体720和N×N微透镜732，其中N是大于1的整数。
如近红外射线784IR和近红外焦点786IR所示，每个微透镜732将近红外光聚焦到顶表面714的平面上边界750，即聚焦到对应的倒锥体720的底部，使得近红外光入射在倒锥体720内的半导体衬底710上，并因此受益于倒锥体720提供的量子效率增强。较短波长的光聚焦在平面上边界750上方，如绿色射线784G和绿色焦点786G所示。即使可见光聚焦在平面上边界750上方，由一个微透镜732聚焦的绝大多数可见光也入射在相应的倒锥体720内的顶表面714上(例如，如绿色射线784G所示)。因此，图像传感器700优化了近红外光的量子效率，同时还实现了可见光的良好量子效率。在不脱离其范围的情况下，近红外焦点786IR可以从平面上边界750少量偏移。例如，近红外焦点786IR可以在平面上边界750的范围754内，此范围在平面上边界750上方或下方不超过0.1微米。
图8是具有100％填充因子的一个微透镜阵列830的俯视图。微透镜阵列830是微透镜阵列130的实施例。每个微透镜832具有边长846的正方形覆盖区，并且在相邻的微透镜832之间没有死区。在一个实施例中，边长846为至少0.8微米，以确保可以使用目前可用的微透镜制造技术来制造具有令人满意的聚焦和光收集性能的微透镜832，如上面参考图2至图3所述。每个微透镜832的光接收透镜表面838可以基本上是球形的。相邻微透镜832的透镜表面838之间在与微透镜的光轴正交的维度上没有间隙。
再次参考图7，图像传感器700可以将微透镜732实现为微透镜阵列830。在此实施方式中，顶表面714可以完全由像素712上的倒锥体720组成，以便每个倒锥体720具有正方形的横截面，其边长748等于边长846。
图9示出了一个近红外优化图像传感器900的配置，每个像素具有多个倒锥体920和相应的多个微透镜732，其中每个倒锥体920被平面表面926包围。图像传感器900是图像传感器700的修改，其中半导体衬底710被半导体衬底910代替。半导体衬底910与半导体衬底710相似，除了半导体衬底910的像素912上的半导体衬底910的顶表面914由倒锥体920和平面表面926组成。平面926与顶表面914的平面上边界950重合，使得平面表面926与倒锥体920的底部共面。每对相邻的倒锥体920通过具有非零范围942的平面表面926的一部分彼此分开。每个倒锥体920是四面倒锥体，具有以边长948为特征的正方形覆盖区。图像传感器900可以实现微透镜阵列830。在此实现中，边长948小于边长846。
图10是作为半导体衬底910的实施例的一个半导体衬底1000的像素1012的顶视图。半导体衬底1000布置倒锥体920，使得倒锥体920的正方形覆盖区的侧面1028平行于像素1012的侧面1018。
图11是作为半导体衬底910的实施例的另一个半导体衬底1100的像素1112的顶视图。半导体衬底1100类似于半导体衬底1000，除了将倒锥体920布置为使得倒锥体920的正方形覆盖区的侧面1028不平行于像素1112的侧面1018。在图11描绘的示例中，侧面1028与侧面1018成45°。
图12和图13分别以截面图和俯视图示出了一种彩色图像传感器1200，此彩色图像传感器1200的量子效率通过每个像素的多个倒锥体120和相应的多个微透镜132而增强。为了图示清楚，在图13的顶视图中省略了某些元件。例如，在图13中仅针对右下像素112(LR)示出了微透镜132。在下面的描述中，图12和图13最好放在一起查看。图像传感器1200是将光传输层136实现为波长滤波光传输层1236的图像传感器100的实施例。光传输层1236包括微透镜阵列130和设置在顶表面114与微透镜阵列130之间的滤色器阵列1250。滤色器阵列1250对从微透镜阵列130传播到半导体衬底110的光进行光谱滤波。彩色图像传感器1300的每个像素112具有布置在其上的滤色器阵列1250的滤色器。这些滤色器布置在相同的滤色器组1310中。每个滤色器组1310具有布置在2×2像素112上的2×2滤色器。每个滤色器组1310包括分别主要透射红、绿、蓝和近红外光的滤色器1352R、1352G、1352B和1352IR。
图14示出了具有通过每个像素的多个倒锥体120和相应的多个微透镜1432增强的量子效率的一个彩色图像传感器1400，其中微透镜1432对于彩色图像传感器1400的所有像素112是相同的。彩色图像传感器1400是彩色图像传感器1200的实施例，其将微透镜阵列130实现为由形成在滤色器阵列1250的平面表面1454上的相同微透镜1432组成的一致微透镜阵列1430。图14仅示出了彩色图像传感器1400的四个像素112，一个像素用于检测红色、绿色、蓝色和近红外光中的每个。为了说明的目的，图14示出了这四个像素112沿着直线布置，但是应当理解，这四个像素在图像传感器1400中可以不沿着直线布置。
微透镜1432的焦距是波长的递增函数。彩色图像传感器1400被配置为使得用于近红外光(如由近红外射线1484IR所指示的)的焦点1486IR位于倒锥体120的底部处，或者至少在其范围754内，如上面参考图7所讨论的。分别用于红色、绿色和蓝色光的焦点1486R、1486G和1486B以递增的量位于倒锥体120的底部上方。如以上参考图7所讨论的，此配置优化了近红外光的量子效率增强，同时还实现了可见光的良好量子效率。
图15示出了具有通过每个像素的多个倒锥体120和相应的多个微透镜1532增强的量子效率的另一彩色图像传感器1500，其中微透镜1532被定制以针对每种颜色独立地优化图像传感器1500的量子效率增强。彩色图像传感器1500类似于彩色图像传感器1400，除了将微透镜阵列1430替换为微透镜阵列1530。微透镜阵列1530包括微透镜1532R、1532G、1532B和1532IR，使得每个红色滤色器1352R具有布置在其上的微透镜1532R，每个绿色滤色器1352G具有布置在其上的微透镜1532G，每个蓝色滤色器1352B具有布置在其上的微透镜1532B，且每个近红外滤色器1352IR具有布置在其上的微透镜1532IR。在实施例中，微透镜阵列1530的填充因子是100％。
微透镜1532B对于蓝光1584B的焦距小于微透镜1532G对于绿光1584G的焦距，微透镜1532G对于绿光1584G的焦距小于微透镜1532R对于红光1584R的焦距，且微透镜1532R对于红光1584R的焦距小于微透镜1532IR对于近红外光1584IR的焦距。微透镜1532R、1532G、1532B和1532IR被配置为使得分别对于红色、绿色、蓝色和近红外光的焦点1586R、1586G、1586B和1586IR都位于倒锥体120的底部处(或如上面参考图7所讨论的，至少在其范围754内)。微透镜1532R、1532G、1532B和1532IR相对于平面表面1454具有不同的高度1560R、1560G、1560B、1560IR，以实现将焦点1586R、1586G、1586B和1586IR中的每个放置在倒锥体120底部处或附近所需的焦距差。高度1560B小于高度1560G，高度1560G小于高度1560R，高度1560R小于高度1560IR。
在不脱离本发明范围的情况下，图像传感器1500中的微透镜高度的颜色特定优化可以应用于每个像素仅具有单个微透镜和单个倒锥体的类似彩色图像传感器。
在替代彩色图像传感器1500的实施例中，微透镜1532对于所有像素112都是相同的，并且替代地，通过在像素112中使用用于对更长波长的光成像的较深的锥体120和在像素112中用于对较短波长的光成像的较浅的锥体120来实现颜色特定的量子效率增强。尽管此配置未将所有颜色都聚焦在锥体120的底部，但是锥体120的深度可以被设置为至少确保对于所有颜色，焦点都在锥体120内。在一种实施方式中，红外滤色器1352IR下的锥体120比可见光滤色器1352R、1352G和1352B下的锥体120深。在此实施方式中，绿色滤色器1352G下方的锥体120可以比蓝色滤色器1352B下方的锥体120深，并且可以比红色滤色器1352R下方的锥体120浅。在利用不同深度的锥体120来实现颜色特定的量子效率增强的彩色图像传感器中，锥体120可以(a)全部具有相同的宽度(对应于图7的宽度748)，但是实现不同的颜色特定的宽深比(对应于不同的角度260)，或(b)都具有相同的宽深比，但实现不同的颜色特定的宽度。
图16是图像传感器1400的示例对于微透镜1432的不同高度1460，对于940纳米的波长的近红外光(曲线1610)和对于530纳米的波长的绿光(曲线1620)的量子效率的曲线图。在该示例中，每个像素112具有2×2倒锥体120，具有2.2微米×2.2微米的覆盖区，并且微透镜阵列1430因此具有布置在每个像素112上方的2×2微透镜1432。从倒锥体120底部到顶点测量深度1462。微透镜阵列1430具有100％的填充因子，以类似于图8的微透镜阵列830的方式，边长846为1.1微米。每个倒锥体120具有0.6微米的深度1462和具有0.88微米边长的正方形覆盖区。为了比较，图17绘出了图像传感器500的示例对于微透镜532的不同填充因子，对于940纳米的波长处的近红外光(曲线1710)以及对于530纳米的波长处的绿光(曲线1720)的量子效率。在此示例中，每个像素412具有2.2微米×2.2微米的覆盖区。图16和图17中绘制的量子效率是使用有限差分时域方法模拟的。在下面的描述中，图16和图17最好放在一起查看。
从图16可以明显看出，对于图像传感器1400的当前示例，对于940纳米光的最佳高度1460为0.6微米，其中对于940纳米光的量子效率为64％(参见点1612)。在这个高度，530纳米光的量子效率为82％(参见点1622)。在图像传感器500的本示例的情况下，图17显示940纳米光的最佳填充因子为60％，其中940纳米光的量子效率为60％(参见点1712)。在此相同的填充因子下，530纳米光的量子效率为75％(参见点1722)。因此，在本示例中，对于940纳米光和530纳米光，图像传感器1400的近红外优化版本(具有0.6微米的微透镜高度1460)胜过图像传感器500的近红外优化版本(具有60％的填充因子)。
图18比较了图16的940纳米结果与具有100％的微透镜填充因子和2.2微米×2.2微米的像素尺寸的图像传感器400的示例在940纳米处的有限差分时域模拟量子效率(曲线1820)。在曲线1610的点1612处实现的64％量子效率是利用图像传感器400可实现的最佳量子效率(参见点1822)的明显改进。
图19描绘了具有100％的微透镜填充因子和2.2微米×2.2微米的像素尺寸的图像传感器400的示例在940纳米处并且随距离435变化的量子效率(曲线1910)。图19中绘制的量子效率从有限差分时域模拟中获得。图19的意图是通过增加距离435来探索升高焦点486IR。发现距离435的最佳值大约为750纳米。然而，所获得的量子效率仅为55％(参见点1912)，其明显小于在图16中的点1612处所实现的量子效率。
特征组合
上面描述的特征以及下面要求保护的特征可以以各种方式组合而不脱离本发明的范围。例如，将意识到，本文描述的一个图像传感器的各方面可以结合或交换本文描述的另一图像传感器的特征。以下示例说明了上述实施例的一些可能的非限制性组合。应当清楚，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文的方法、产品和系统进行许多其他改变和修改：
(A1)一种具有通过倒锥体而增强的量子效率的图像传感器，包括半导体衬底和多个微透镜。半导体衬底包括像素阵列。每个像素用于将入射在像素上的光转换为电输出信号，半导体衬底具有用于接收光的顶表面。顶表面在每个像素中形成多个倒锥体。多个微透镜设置在顶表面上方并且分别与多个倒锥体相对准。
(A2)在表示为(A1)的图像传感器中，每个微透镜可以具有透镜表面，并且对于每个像素，布置在像素上方的微透镜的透镜表面之间在与微透镜的光轴正交的维度上可以没有间隙。
(A3)在由(A1)和(A2)表示的图像传感器中的任一个中，每个像素可具有倒锥体的2×2或3×3阵列。
(A4)在由(A1)至(A3)表示的任何图像传感器中，每个像素可以在与微透镜的光轴正交的平面中具有正方形截面，其中正方形截面具有边长Lp，每个像素正好具有N×N倒锥体，并且N<Lp/(0.8微米)。
(A5)在表示为(A1)至(A4)的任何图像传感器中，每个倒锥体的顶点可以与相应的一个微透镜的光轴一致。
(A6)在表示为(A1)至(A5)的任何图像传感器中，每个微透镜可被配置为使得用于绿光的焦点在倒锥体的底部上方并且用于近红外光的焦点在倒锥体中。
(A7)在表示为(A1)至(A5)的任何图像传感器中，每个微透镜可以被配置为使得绿色光的焦点在倒锥体的底部上方，而近红外光的焦点在距离底部0.1微米以内。
(A8)表示为(A1)到(A7)的任何图像传感器可以进一步包括设置在半导体衬底和微透镜之间的滤色器阵列，其中滤色器阵列的每个滤色器覆盖相应的一个像素，并且其中滤色器阵列包括(a)透射近红外光的一组近红外滤色器，以及(b)透射相应的第一颜色、第二颜色和第三颜色的可见光的第一组可见光滤色器、第二组可见光滤色器和第三组可见光滤色器，其中第二颜色的波长短于第三颜色的波长且长于第一颜色的波长。
(A9)在由(A8)表示的图像传感器中，滤色器阵列可以形成支撑微透镜的平面上表面，其中，每个微透镜被布置在近红外滤色器中的一个上方，其距此平面上表面的高度超过布置在可见光滤色器中的一个上方的每个微透镜距平面上表面的高度。
(A10)在表示为(A9)的图像传感器中，每个微透镜可以设置在第二组中的可见光滤色器中的一个上方，并且距平面上表面的高度(i)超过设置在第一组中的可见光滤色器中的一个上方的每个微透镜距平面上表面的高度以及(ii)小于设置在第三组中的可见光滤色器中的一个上方的每个微透镜距平面上表面的高度。
(A11)在由(A8)表示的图像传感器中，滤色器阵列可以形成支撑微透镜的平面上表面，其中每个倒锥体位于近红外滤色器的一个的下方，其深度超过位于可见光滤色器中的一个下方的每个倒锥体的深度。
(A12)在表示为(A9)的图像传感器中，位于第二组中的可见光滤色器中的一个下方的每个倒锥体的深度可以(i)超过位于第一组中的可见光滤色器中的一个下方的每个倒锥体的深度以及(ii)小于位于第三组中的可见光滤色器中的一个下方的每个倒锥体的深度。
(A13)在由(A1)至(A12)表示的任何图像传感器中，每个倒锥体可以具有沿着半导体衬底的{111}晶面布置的四个侧面。
(A14)在由(A1)至(A13)表示的任何图像传感器中，倒锥体的侧面可以相对于微透镜的光轴成20和60度之间的角度。
(A15)在表示为(A1)至(A14)的任何图像传感器中，每个微透镜可以具有垂直于其光轴的第一范围，并且每个倒锥体可以在正交于相应微透镜的光轴的维度上具有第二范围，第二范围小于第一范围，以使倒锥体的底部位于顶表面的平面部分处。
在不脱离本发明范围的情况下，可以对以上系统和方法进行改变。因此应注意，以上描述中包含的以及附图中所示的内容应解释为说明性的，而不是限制性的。所附权利要求旨在覆盖本文所述的一般和特定特征，以及本系统和方法的范围的所有陈述，就语言而言，可以认为其介于两者之间。
Claims (15)
1.一种具有通过倒锥体提高的量子效率的图像传感器，包括：
半导体衬底，包括像素阵列，每个像素用于将入射在像素上的光转换为电输出信号，所述半导体衬底具有用于接收光的顶表面，所述顶表面在每个像素中形成多个倒锥体；以及
多个微透镜，设置在顶表面上方并分别与多个倒锥体相对准。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，(i)每个微透镜具有透镜表面，以及(ii)对于每个像素，设置在像素上的微透镜的透镜表面之间在与微透镜的光轴正交的维度上没有间隙。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，每个像素具有倒锥体的2×2或3×3阵列。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，每个像素在与微透镜的光轴正交的平面上具有正方形截面，所述正方形截面具有边长Lp，每个像素具有正好N×N个倒锥体，其中N<Lp/(0.8微米)。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，每个倒锥体的顶点与所述微透镜中的相应一个的光轴重合。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，每个微透镜被配置为使得用于绿光的焦点在所述倒锥体的底部上方，且用于近红外光的焦点在所述倒锥体中。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，每个微透镜被配置为使得用于绿光的焦点在所述倒锥体的底部上方，且用于近红外光的焦点在所述底部的0.1微米内。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括设置在所述半导体衬底和所述微透镜之间的滤色器阵列，所述滤色器阵列的每个滤色器覆盖相应的一个像素，所述滤色器阵列包括(a)透射近红外光的近红外滤色器组，以及(b)透射相应的第一颜色、第二颜色和第三颜色的可见光的第一组可见光滤色器、第二组可见光滤色器和第三组可见光滤色器，其中第二颜色的波长短于第三颜色的波长且长于第一颜色的波长。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，所述滤色器阵列形成支撑所述微透镜的平面上表面，设置在所述近红外滤色器中的一个上方的每个所述微透镜距所述平面上表面的高度超过设置在可见光滤色器中的一个上方的每个微透镜距平面上表面的高度。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，设置在第二组中的可见光滤色器中的一个上方的每个微透镜距平面上表面的高度(i)超过设置在第一组中的可见光滤色器的一个上方的每个微透镜距平面上表面的高度以及(ii)小于设置在第三组中的可见光滤色器的一个上方的每个微透镜距平面上表面的高度。
11.根据权利要求8所述的图像传感器，所述滤色器阵列形成支撑所述微透镜的平面上表面，其中位于近红外滤色器中的一个下方的每个倒锥体的深度超过位于可见光滤色器中的一个下方的每个倒锥体的深度。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，位于第二组中的可见光滤色器中的一个下方的每个倒锥体的深度(i)超过位于第一组中的可见光滤色器中的一个下方的每个倒锥体的深度以及(ii)小于位于第三组中的可见光滤色器中的一个下方的每个倒锥体的深度。
13.根据权利要求1所述的图像传感器，每个倒锥体具有沿着所述半导体衬底的{111}晶面布置的四个侧面。
14.根据权利要求1所述的图像传感器，所述倒锥体的侧面与所述微透镜的光轴成20度和60度之间的角度。
15.根据权利要求1所述的图像传感器，每个微透镜可以具有垂直于其光轴的第一范围，并且每个倒锥体可以具有在与相应微透镜的光轴正交的维度上的第二范围，所述第二范围小于所述第一范围，以使倒锥体的底部位于所述顶表面的平面部分处。
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