CN113865701A - 光学滤波器、制造方法及环境光传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光学滤波器、制造方法及环境光传感器，包括：衬底、光敏元器件、第一介质层、第一反射镜层、第一干涉层、第二反射镜层以及第二介质层；所述光敏元器件位于所述衬底内，所述第一介质层的下表面连接所述衬底和所述光敏元器件的上表面，所述第一反射镜层的下表面连接所述第一介质层的上表面，所述第一干涉层的下表面连接所述第一反射镜层的上表面，所述第二反射镜层的下表面连接所述第一干涉层的上表面，所述第二介质层的下表面连接所述第二反射镜层的上表面。本发明提出了一种兼容CMOS工艺的反射镜方案，在不降低滤波性能的基础上，可以降低制造成本，最大程度降低加工过程中工厂切换带来的麻烦。
Description
技术领域
本发明涉及光学电子元器件领域，具体地，涉及一种光学滤波器、制造方法及环境光传感器。
背景技术
环境光传感器广泛的应用于智能手机，相机，平板电脑，智能手环手表等电子设备中。环境光传感器的工作原理是将环境光的亮度强度等物理信息，通过IR滤波处理后得到类似人眼所能识别的光谱频段(380nm-730nm)，再照射到芯片内部的光敏二极管或光敏电阻上，进而产生电信号，反馈出当前环境的光照信息，供电子设备调节显示屏幕的亮度。
为了实现对环境光的IR滤波，目前主流的技术主要有Bragg滤波器和Fabry-Perot滤波器。Bragg滤波器原理是通过两种或两种以上的不同折射率的材料交替淀积，形成滤波层，根据材料的厚度不同，可以实现IR滤波，以及所需的可见光波段透过，如专利文献US8809099B2所公开的方案。Fabry-Perot滤波器包含两个反射镜和夹在反射镜中间的干涉层构成，反射镜一般采用金属材料，干涉层一般采用SiO2，SiN等介质材料，如专利文献US7521666B2所公开的方案。
主流的Fabry-Perot滤波器一般采用金属Ag作为反射镜的材料，因为其具有低的折射率，但是遗憾的是金属Ag不兼容CMOS工艺。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种光学滤波器、制造方法及环境光传感器。
根据本发明提供的一种光学滤波器，包括：衬底10、光敏元器件11、第一介质层12、第一反射镜层13、第一干涉层14、第二反射镜层15以及第二介质层16；
所述光敏元器件11位于所述衬底10内，所述第一介质层12的下表面连接所述衬底10和所述光敏元器件11的上表面，所述第一反射镜层13的下表面连接所述第一介质层12的上表面，所述第一干涉层14的下表面连接所述第一反射镜层13的上表面，所述第二反射镜层15的下表面连接所述第一干涉层14的上表面，所述第二介质层16的下表面连接所述第二反射镜层15的上表面。
优选地，所述光敏元器件11包括光敏二极管或光敏电阻。
优选地，所述第一介质层12包括氮化硅层或氧化硅层。
优选地，所述第一反射镜层13包括Al-Cu复合层。
优选地，所述Al-Cu复合层采用Al层和Cu层交替淀积得到。
优选地，所述第一干涉层14包括氮化硅层或氧化硅层。
优选地，所述第二介质层16包括氮化硅层。
优选地，所述第二反射镜层15与所述第一反射镜层13采用相同的淀积和图形化工艺得到。
根据本发明提供的一种光学滤波器的制造方法，包括步骤：
S1、在衬底10上通过掺杂制作光敏元器件11；
S2、通过PECVD工艺在衬底10和光敏元器件11的上表面淀积得到第一介质层12；
S3、通过溅射或蒸发工艺在第一介质层12的上表面淀积得到第一反射镜层13；
S4、通过PECVD工艺在第一反射镜层13的上表面淀积得到第一干涉层14；
S5、采用与第一反射镜层13相同的工艺在第一干涉层14的上表面淀积得到第二反射镜层15；
S6、通过PECVD工艺在第二反射镜层15的上表面淀积得到第二介质层16。
根据本发明提供的一种环境光传感器，包括所述的光学滤波器，或者上述制造方法得到。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提出了一种兼容CMOS工艺的反射镜方案，在不降低滤波性能的基础上，可以降低制造成本，最大程度降低加工过程中工厂切换带来的麻烦。
通过采用Al、Cu金属作为反射镜材料，与CMOS工艺线完全匹配，降低加工成本和跨厂成本。
通过调控Al-Cu的比例，实现绿光波段的最大透射，以及IR波段的滤波。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2Al-Cu反射镜的结构示意图；
图3Ag、Al、Cu三种材料的折射率数据图；
图4Al-Cu反射镜的Fabry-Perot滤波器的归一化透射率图谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明提供的一种Fabry-Perot滤波器的结构，可以实现匹配人眼的环境光滤波图谱。该滤波器的结构包括衬底10，衬底10可采用硅衬底，制作在衬底上的光敏器件11包括光敏二极管或光敏电阻，第一介质层层12，第一反射镜层13，第一干涉层14，第二反射镜层15，第二介质层16。
一种实现方案如下，在P型的衬底10上，通过掺杂磷、砷等元素形成N+/P型光敏二极管。在光敏二极管上方制作Fabry-Perot滤波器，第一介质层12为氮化硅层或氧化硅层，厚度约100-500nm，通过PECVD工艺淀积在衬底10上作为缓冲层。第一反射镜层13为Al-Cu复合层，其厚度约10-30nm，通过溅射或蒸发工艺淀积到第一介质层(12)上，图形化方法可以是湿法腐蚀或者IBE干法刻蚀。第一干涉层14为氮化硅层或氧化硅层，通过PECVD工艺淀积在第一反射镜层13上，干涉层作为滤波的核心层，需要根据干涉材料的不同折射率调节淀积厚度，当干涉层为氮化硅层时，为了得到绿光波段的最大透射率，其厚度需控制在80-100nm；当干涉层为氧化硅层时，需要根据折射率的比值进行线性折算。第二反射镜层15采用与第一反射镜层13同样的工艺淀积与图形化，厚度约10-30nm。第二介质层为氮化硅层，厚度100-600nm，通过PECVD工艺淀积到第二反射镜15上作为器件的钝化层，隔绝水汽侵蚀。
图2为Al-Cu复合层反射镜，包含Cu层21和Al层22。其实现方案为在溅射腔或蒸发台上交替淀积Cu层和Al层，图中为2层结构。显然的，根据设备工艺能力、设计需求，可以Al层和Cu层多层交替淀积，形成成分均匀的Al-Cu复合材料。
图3为Ag、Al、Cu三种材料的折射率数据图，从图中可以看出Cu在630nm以上的波段具有与Ag相当的折射率，但是在630nm以下的波段折射率极大。而Al在200-480nm的波段具有相对较低的折射率，因此本发明的意图即通过调整Al和Cu的比例实现Al-Cu复合结构，调控全波段的折射率，使得全波段均具有相对较低的折射率。但是值得注意的是，Al材料具有非常好的消光性，即当Al添加的较多时，会导致全波段的透射率大大降低，使得传感器的灵敏度大大降低，因此AlxCu1-x复合材料中x的值一般需要控制在x≤0.3。
图4为采用Al-Cu反射镜的Fabry-Perot滤波器的归一化透射率图谱。从图中可以看出最大透射率控制在560nm左右，符合绿光波段环境光的设计要求。在700nm以上的IR波段的滤波能力平均可以达到5％左右。
综上表述，本发明采用Al-Cu复合材料作为反射镜材料，与CMOS工艺完全匹配(Al和Cu为CMOS工艺线最常用的金属)，同时调控Al-Cu的成分，实现了绿光波段的最大透射率，并抑制IR波段的通过，满足环境光传感器的需求。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种光学滤波器，其特征在于，包括：衬底(10)、光敏元器件(11)、第一介质层(12)、第一反射镜层(13)、第一干涉层(14)、第二反射镜层(15)以及第二介质层(16)；
所述光敏元器件(11)位于所述衬底(10)内，所述第一介质层(12)的下表面连接所述衬底(10)和所述光敏元器件(11)的上表面，所述第一反射镜层(13)的下表面连接所述第一介质层(12)的上表面，所述第一干涉层(14)的下表面连接所述第一反射镜层(13)的上表面，所述第二反射镜层(15)的下表面连接所述第一干涉层(14)的上表面，所述第二介质层(16)的下表面连接所述第二反射镜层(15)的上表面。
2.根据权利要求1所述的光学滤波器，其特征在于，所述光敏元器件(11)包括光敏二极管或光敏电阻。
3.根据权利要求1所述的光学滤波器，其特征在于，所述第一介质层(12)包括氮化硅层或氧化硅层。
4.根据权利要求1所述的光学滤波器，其特征在于，所述第一反射镜层(13)包括Al-Cu复合层。
5.根据权利要求4所述的光学滤波器，其特征在于，所述Al-Cu复合层采用Al层和Cu层交替淀积得到。
6.根据权利要求1所述的光学滤波器，其特征在于，所述第一干涉层(14)包括氮化硅层或氧化硅层。
7.根据权利要求1所述的光学滤波器，其特征在于，所述第二介质层(16)包括氮化硅层。
8.根据权利要求1所述的光学滤波器，其特征在于，所述第二反射镜层(15)与所述第一反射镜层(13)采用相同的淀积和图形化工艺得到。
9.一种光学滤波器的制造方法，其特征在于，包括步骤：
S1、在衬底(10)上通过掺杂制作光敏元器件(11)；
S2、通过PECVD工艺在衬底(10)和光敏元器件(11)的上表面淀积得到第一介质层(12)；
S3、通过溅射或蒸发工艺在第一介质层(12)的上表面淀积得到第一反射镜层(13)；
S4、通过PECVD工艺在第一反射镜层(13)的上表面淀积得到第一干涉层(14)；
S5、采用与第一反射镜层(13)相同的工艺在第一干涉层(14)的上表面淀积得到第二反射镜层(15)；
S6、通过PECVD工艺在第二反射镜层(15)的上表面淀积得到第二介质层(16)。
10.一种环境光传感器，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的光学滤波器，或者采用权利要求9所述的制造方法得到。
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