CN114556570A - 用于可见图像感测和红外深度感测、或用于可见图像感测和红外图像感测的堆叠式电磁辐射传感器 - Google Patents

用于可见图像感测和红外深度感测、或用于可见图像感测和红外图像感测的堆叠式电磁辐射传感器 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种传感器叠层。该传感器叠层包括第一电磁辐射传感器和第二电磁辐射传感器。第一电磁辐射传感器具有用于将第一电磁辐射波长范围转换成第一组电信号的高量子效率。第二电磁辐射传感器位于第一电磁辐射传感器的视场中，并且具有用于将第二电磁辐射波长范围转换成第二组电信号的高量子效率和用于将第一电磁辐射波长范围转换成第二组电信号的低量子效率。第一波长范围不与第二波长范围重叠，并且第二电磁辐射传感器至少部分地透射第一电磁辐射波长范围。

Description

用于可见图像感测和红外深度感测、或用于可见图像感测和 红外图像感测的堆叠式电磁辐射传感器
相关申请的交叉引用
本专利合作条约专利申请要求于2019年6月28日提交的美国临时专利申请第62/868,746号的优先权，该专利申请的内容如同在本文完整公开一样以引用方式并入本文。
技术领域
所描述的实施方案整体涉及一种设备，该设备具有堆叠在第二电磁辐射传感器(例如，红外(IR)传感器，诸如IR深度传感器或IR图像传感器)上的第一电磁辐射传感器(例如，可见光传感器)。所描述的实施方案还整体涉及具有光敏材料的电磁辐射传感器，该光敏材料与半导体衬底分开，该半导体衬底包括用于由半导体衬底以及在一些方面中由光敏材料限定的像素阵列的像素电路。
背景技术
设备诸如相机(例如，数字相机)有时可包括多于一个图像传感器(或更一般地，多于一个电磁辐射传感器)。例如，设备可包括可见光传感器和IR传感器。在一些示例中，IR传感器可用于采集IR图像，并且IR图像可用于例如调节由可见光传感器采集的可见光图像的颜色或色度(例如，用于颜色处理)。IR图像也可用作输入以调节可见光图像的焦点；以提高低光灵敏度；以识别可影响可见光图像的热源；以提供夜视；或用于其他目的。
在一些情况下，可见光和IR传感器已集成在单个硅衬底上。例如，红绿蓝(RGB)光传感器和IR传感器已集成在单个硅衬底上，其中RGB像素和IR像素共享相同的硅基光敏层。已在二维(2D)空间域中提供了RGB像素和IR像素之间的分离，其中IR像素替换所选择的RGB像素(例如，其中IR像素替换某些绿色像素)，并且其中IR像素通常采用透射IR辐射并阻挡可见光的黑色滤光器。
发明内容
本公开中描述的系统、设备、方法和装置的实施方案涉及堆叠式电磁辐射传感器。同样描述了涉及具有光敏材料的电磁辐射传感器的系统、设备、方法和装置，该光敏材料与半导体衬底分开，该半导体衬底包括用于由半导体衬底以及在一些方面中由光敏材料限定的像素阵列的像素电路。
在第一方面，本公开描述了一种传感器叠层。该传感器叠层可包括第一电磁辐射传感器和第二电磁辐射传感器。第一电磁辐射传感器可具有用于将第一电磁辐射波长范围转换成第一组电信号的高量子效率(QE)。第二电磁辐射传感器可位于第一电磁辐射传感器的视场(FoV)中。第二电磁辐射传感器可具有用于将第二电磁辐射波长范围转换成第二组电信号的高量子效率，并且可具有用于将第一电磁辐射波长范围转换成第二组电信号的低量子效率：第一电磁辐射波长范围不与第二电磁辐射波长范围重叠，并且第二电磁辐射传感器至少部分地透射第一电磁辐射波长范围。
在另一方面，本公开描述了一种电磁辐射传感器。电磁辐射传感器可包括半导体衬底和沉积在半导体衬底上的光敏材料。半导体衬底可包括用于像素阵列的像素电路。电连接阵列可连接用于像素阵列的像素电路和光敏材料。电连接阵列中的电连接可包括形成于半导体衬底与光敏材料之间的异质结光电二极管。
除了所述示例性方面和实施方案之外，参考附图并通过研究以下描述，更多方面和实施方案将为显而易见的。
附图说明
通过以下结合附图的具体实施方式，将容易理解本公开，其中类似的附图标号指代类似的结构元件，并且其中：
图1示出了包括堆叠式电磁辐射传感器(或堆叠式电磁辐射成像器或传感器叠层)的相机的示例，其中第一电磁辐射传感器堆叠在第二电磁辐射传感器的电磁辐射接收表面上(例如，直接堆叠在其上、上方或之上)；
图2示出了堆叠式电磁辐射传感器的示例性分解图；
图3A示出了堆叠式电磁辐射传感器的另一示例性分解图；
图3B示出了参考图3A所描述的RGB光传感器与图3A中未具体示出的部件结合的立面；
图4A至图4C和图5A至图5B示出了堆叠式电磁辐射传感器的各种分解图示例；
图6A至图6C示出了当使用与包括其支撑像素电路的半导体衬底分开的光敏材料(或全色光敏层)实现光电探测器阵列时用于降低kTC噪声的各种选项；
图7A和图7B示出了堆叠式电磁辐射传感器的示例性立面，并且更具体地示出了堆叠在IR传感器上的RGB光传感器(或其他可见光传感器)的像素电路与像素处理芯片之间的互连的示例；
图8A示出了可与图7A所示的互连选项结合使用的互连方法，从而提供RGB光传感器中的像素组的低电阻金属总线与RGB光传感器中的像素组内的透明局部连接的组合；
图8B示出了图8A所示的RGB像素和IR像素的布置，但TSV在IR传感器的像素阵列内围绕IR像素路由；
图9A至图9C示出了图7A所示的堆叠式电磁辐射传感器的一部分，其中附加互连选项用于将信号路由到RGB光传感器中的像素电路的RGB像素/从其路由信号；
图10示出了用于将光敏材料(或其他全色光敏层)连接到像素电路的电触点的第一示例性配置；
图11示出了用于将光敏材料(或其他全色光敏层)连接到像素电路的电触点的第二示例性配置；
图12示出了用于将光敏材料(或其他全色光敏材料)连接到像素电路的电触点的第三示例性配置；
图13A示出了用于将光敏材料(或其他全色光敏材料)连接到像素电路的第四示例性配置；
图13B示出了图13A所示的互连的变型；
图13C至图13L示出了可与图13A或图13B所示的结构组合的其他设计特征的示例；
图14A示出了用于制备堆叠式电磁辐射传感器的示例性过程；
图14B和图14C示出了用于形成不同电路(例如，像素电路)与图14A所示结构的光敏层之间的互连的示例性过程；
图15A示出了参考图14A所描述的过程的修改(和简化)；
图15B示出了用于形成不同电路(例如，像素电路)与图15A所示结构的光敏元件之间的互连的示例性过程；
图16A和图16B示出了波长更长的光敏材料可如何沉积在IR传感器的半导体衬底上的示例；
图17A和图17B示出了可包括本文所述的堆叠式或非堆叠式电磁辐射传感器中的任何一者或多者的示例性设备；
图18示出了图像捕获设备的示例性实施方案；
图19示出了包括使用雪崩二极管的检测器的示例性系统；
图20示出了可如何融合由电磁辐射传感器(例如，可见光传感器或IR传感器)采集的多个图像(或图像帧)以形成单个静止图像；并且
图21示出了电子设备的样本电气框图。
附图中的交叉影线或阴影的用途通常被提供以阐明相邻元件之间的边界并还有利于附图的易读性。因此，存在或不存在无交叉影线或阴影均不表示或指示对特定材料、材料特性、元件比例、元件尺寸、类似图示元件的共同性或在附图中所示的任何元件的任何其他特征、属性、或特性的任何偏好或要求。
此外，应当理解，各个特征部和元件(以及其集合和分组)的比例和尺寸(相对的或绝对的)以及其间呈现的界限、间距和位置关系在附图中被提供，以仅用于促进对本文所述的各个实施方案的理解，并因此可不必要地被呈现或示出以进行缩放并且并非旨在指示对所示的实施方案的任何偏好或要求，以排除结合其所述的实施方案。
具体实施方式
现在将具体地参考在附图中示出的代表性实施方案。应当理解，以下描述不旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可被包括在由所附权利要求书限定的所述实施方案的实质和范围内的另选形式、修改形式和等同形式。
如前所述，设备可包括集成在单个硅衬底上的可见光传感器和IR传感器。然而，出于各种原因，将此类传感器集成到单个像素阵列中可能会提供低于标准的性能。例如，考虑到硅基光敏层对宽范围的电磁辐射波长(包括可见光和IR辐射两者)的灵敏度，由可见光传感器采集的可见光图像可被可见光光谱范围之外的电磁辐射污染。为了减轻这种情况，可将仅通过可见光和期望范围的IR波长的双带光谱滤光器放置在集成的可见光和IR传感器上方。然而，考虑到硅基光敏层的灵敏度，允许通过双带光谱滤光器(例如，通过由双带光谱滤光器限定的IR陷波)的IR辐射仍可能污染可见光像素(即使在不存在主动IR照明的情况下)。这可导致可见光图像的信噪比(SNR)显著减小—尤其是在低光下，并且对于具有丰富IR含量的场景(例如，白炽灯照明、日落、来自蜡烛的照明、来自设备上的红外照明源的照明等)而言。尽管可将IR辐射阻挡滤光器部署在像素级(例如，在可见光像素上方)，但此类滤光器在其增加可见光图像的SNR的程度方面可受到限制，并且仍然可降低可见光图像的质量(例如，颜色质量)。
将可见光和IR像素集成到单个像素阵列中也会影响IR感测。例如，考虑到硅基光敏层对宽范围的电磁辐射波长(包括可见光和IR辐射两者)的灵敏度，由IR传感器采集的IR图像可被IR光谱范围之外的电磁辐射污染。这可导致IR图像的SNR显著降低—尤其是当在户外(例如，在阳光下)或在明亮的照明条件下或在存在高水平背景光的情况下采集IR图像时。
将可见光和IR像素集成到单个像素阵列中也可降低可见光传感器和IR传感器两者的空间分辨率，因为可见光传感器的像素阵列中的一些像素可被分配用于IR感测，并且IR传感器的像素阵列中的一些像素可被分配用于可见光感测。这从根本上降低了可见光图像和IR图像(或IR深度信息)两者的质量和/或分辨率。
本文描述了堆叠式电磁辐射传感器—即，其中第一电磁辐射传感器堆叠在第二电磁辐射传感器上的传感器叠层。出于本说明书的目的，当参考相同或类似部件的不同实例时，使用诸如“第一”和“第二”等标签以便于参考。参考一个附图作为“第一”部件被引入的部件可参考另一个附图或权利要求作为部件的“第一”、“第二”或其他实例被引入。
第一电磁辐射传感器可被定位成使得入射到堆叠式电磁辐射传感器的电磁辐射接收表面的电磁辐射通常在由第二电磁辐射传感器接收之前由第一电磁辐射传感器接收。换句话说，第一电磁辐射传感器可被定位在第二电磁辐射传感器的FoV(视场)中。
第一电磁辐射传感器可具有用于将第一电磁辐射波长范围(例如，可见光)转换成第一组电信号的高QE(量子效率)。第一电磁辐射传感器也可具有用于将第二电磁辐射波长范围(例如，IR辐射波长范围)转换成第一组电信号的低QE。出于本说明书的目的，用于将电磁辐射波长转换成一组信号的高QE意味着该电磁辐射波长范围内的至少40％的光子被转换成一组电信号，并且优选地是多于50％、多于60％、多于70％、多于80％、或多于90％。用于将电磁辐射波长转换成一组信号的低QE意味着该电磁辐射波长范围内的少于15％的光子被转换成一组电信号，并且优选地是少于10％或少于5％。除此之外或另选地，高QE与低QE的区别可在于，高QE的数值比低QE的数值大至少30个点，并且优选地大至少40个点、至少50个点、至少60个百分点或至少70个点。例如，高QE可转换40％的光子并且低QE可转换10％的光子(即，数值有30个点的差别)。一般来讲，高QE与对电磁辐射波长范围的高灵敏度和高吸收相关联。相反，低QE通常与对电磁辐射波长范围的低灵敏度和低吸收相关联。在一些情况下，电磁辐射传感器对于其高QE范围的部分可具有更高的QE(例如，对于绿光比红光具有更高的QE)。
第一电磁辐射传感器也可至少部分地透射第二电磁辐射波长范围，并且在一些情况下可高度透射第二电磁辐射波长范围(例如，IR辐射波长范围)。出于本说明书的目的，第一电磁辐射传感器可透射第二电磁辐射波长范围的10％或更少，但也可透射第二电磁辐射波长范围的多达90％或更多。
第二电磁辐射传感器可具有用于将第二电磁辐射波长范围转换成第二组电信号的高QE。
第一电磁辐射波长范围和第二电磁辐射波长范围可以是不重叠的，以减轻第一电磁辐射传感器和第二电磁辐射传感器之间的光学污染的可能性。
为了将第一电磁辐射传感器和第二电磁辐射传感器配置为在不同的不重叠电磁辐射波长范围内具有高QE并且在其相应电磁辐射波长范围之外具有低QE，可能有用的是将该电磁辐射传感器中的一者或两者配置为包括以下项的传感器：1)半导体衬底(例如，硅衬底)，该半导体衬底包括用于像素阵列的像素电路，以及2)沉积在半导体衬底上的光敏材料(例如，量子点膜(QF)、有机材料或具有高α、良好迁移率和与硅低温集成的材料，诸如Sb2Se(3-x)Te(x)，其中x＝0具有～1.2eV的直接带隙，并且x>0会将带隙调谐至较低能量)。光敏材料可在调谐电磁辐射传感器具有高QE的电磁辐射波长范围(或类似地，调谐电磁辐射具有低QE的波长范围)方面提供更大的灵活性。在一些情况下，用于像素阵列的像素电路与光敏材料之间的电连接阵列可包括一个或多个电连接，该一个或多个电连接包括异质结光电二极管。异质结光电二极管可形成于半导体衬底与光敏材料之间。在一些实施方案中，电连接阵列可至少部分地透射第二电磁辐射波长范围。
在一些实施方案中，未堆叠的电磁辐射传感器可受益于使用沉积在半导体衬底上的光敏材料来实现。
下文参考图1至图21论述了这些实施方案和其他实施方案。然而，本领域的技术人员将容易地理解，本文相对于这些附图所给出的详细描述仅出于说明性目的，而不应被理解为是限制性的。
方向性术语，诸如“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“之上”、“之下”、“下面”、“前部”、“后部”、“上方”、“下方”、“左侧”、“右侧”等参考下面描述的一些图中的一些部件的取向来使用。因为各种实施方案中的部件可以多个不同的取向定位，所以方向性术语仅用于说明的目的并且不以任何方式进行限制。方向性术语旨在被广义地解释，因此不应被解释为排除以不同方式取向的部件。
图1示出了包括堆叠式电磁辐射传感器110(或堆叠式电磁辐射成像器或传感器叠层)的相机100的示例，其中第一电磁辐射传感器102堆叠在第二电磁辐射传感器104的电磁辐射接收表面112上(例如，直接堆叠在其上、上方或之上)。出于本说明书的目的，堆叠在另一元件或部件上的元件或部件被定位在另一元件或部件的FoV中，使得电磁辐射将趋于在穿过叠层中的下部元件或部件之前穿过叠层中的上部元件或部件。堆叠在另一元件或部件上的元件或部件也连接到另一元件或部件—直接地(例如，“在另一元件或部件上”)或间接地(例如，经由叠层中的一个或多个其他元件或部件连接到另一元件或部件)。
电磁辐射122可经由第一电磁辐射传感器102被接收到堆叠式电磁辐射传感器110中，并且电磁辐射122的一部分可穿过第一电磁辐射传感器102到达第二电磁辐射传感器104。第一电磁辐射传感器102可具有用于将第一电磁辐射波长范围(或第一电磁辐射波长)转换成第一组电信号的高QE。第一电磁辐射传感器102也可至少部分地透射第二电磁辐射波长范围(或第二电磁辐射波长)(或具有用于转换该第二电磁辐射波长范围的低QE，或在其内具有低吸收率或不具有吸收率)。第二电磁辐射传感器104可具有用于将第二电磁辐射波长范围(或第二电磁辐射波长)转换成第二组电信号的高QE。
在一些实施方案中，第一电磁辐射传感器102可以是可见光传感器，诸如RGB光传感器。在一些情况下，RGB光传感器可包括拜耳图案滤色器。另选地，可见光传感器可采用其他形式，诸如黄青品红(YCM)光传感器、黄青品红白(YCMW)光传感器、红蓝绿白(RBGW)光传感器等。
在一些实施方案中，第二电磁辐射传感器104可以是IR传感器。当第二电磁辐射传感器104是IR传感器时，并且在一些示例中，IR传感器可被调谐为检测大约940nm、1125nm、1370nm或1550nm的窄电磁辐射波长范围(例如，IR传感器可具有40-50nm或更小的窄光谱灵敏度)。在其他示例中，IR传感器可被调谐为检测宽范围的电磁辐射波长(即，具有宽光谱灵敏度)。对于包括堆叠式电磁辐射传感器110的相机100的双带光谱滤光器116中的IR传感器，可限定类似的窄通带或宽通带。
当第二电磁辐射传感器104是IR传感器时，IR传感器可以各种方式配置用于各种目的。例如，在一些情况下，IR传感器可被配置为图像传感器(即，2D传感器)。当被配置为图像传感器时，IR传感器可被配置为类似于典型的可见光传感器，但可对IR辐射而不是可见光敏感。例如，IR传感器可被配置为确定IR传感器的每个像素在特定时间窗口内吸收了多少IR辐射(例如，使用全局快门或卷帘快门方法)。除此之外或另选地，IR传感器可被配置为深度传感器，该深度传感器根据其具体实施可被视为2D传感器或3D传感器。当被配置为深度传感器时，IR传感器可被配置为测量特定光子入射在IR传感器上的时间(例如，IR传感器可包括单光子雪崩二极管(SPAD)阵列，该阵列可被配置为获取直接飞行时间(dToF)测量值，或者IR传感器可包括传感器元件阵列(例如，门锁定像素(或简称为锁定像素))，该阵列被配置为获取间接飞行时间测量值(例如，其中传感器元件的集成时间与照明源的调制同步地门控或调制))。在一些情况下，被配置为图像传感器的IR传感器也可被配置为深度传感器。例如，被配置为图像传感器的IR传感器可感测由结构化照明源发射的IR辐射，并且可提供可用于导出深度信息的输出。因此，此类IR传感器可被视为图像传感器和深度传感器两者。
当第二电磁辐射传感器是IR传感器时，任选的IR照明器106(或多个IR照明器)可用IR辐射照明对象或IR传感器的FoV。IR辐射可包括由IR传感器检测的IR辐射的波长(或多个波长)。IR照明器106可包括被配置为发射IR辐射的一个或多个电磁辐射源(例如，一个或多个发光二极管(LED)或激光器)。所使用的IR照明器106(或多个IR照明器)的类型可取决于所使用的IR传感器的类型，但通常可(例如，利用泛光照明)照明IR传感器的整个FoV或(例如，利用图案化结构光或现场/点照明)照明IR传感器的FoV的选择部分。IR照明器106可提供固定或恒定的照明，或者IR照明器106可被配置为随时间推移调节IR辐射的空间定位(例如，行扫描或点扫描)或强度。在一些情况下，IR照明器106可提供经过时间调制、空间调制或强度调制中的一者或多者的照明。作为IR照明器106的一个示例，在包括IR深度传感器的系统中，IR照明器106可提供结构光照明并且将一个或多个已知照明图案投影到IR深度传感器的FoV中。作为另一个示例，在包括被配置为获取dToF测量值的IR深度传感器的系统中，IR照明器106可将固定的照明图案投影到IR深度传感器的FoV中，或者可跨FoV扫描照明图案(例如，行或点组)。作为又另一示例，在包括被配置为获取间接ToF(iToF)测量值的IR深度传感器的系统中，IR照明器106可被配置为将泛光照明投影到IR深度传感器的FoV中并且随时间推移改变泛光照明的强度。作为又一示例，在包括IR图像传感器或IR深度传感器的系统中，IR照明器106在一些情况下可用作图像采集期间的“闪光”。
第一电磁辐射传感器102和/或第二电磁辐射传感器104可任选地耦接到像素处理芯片108(或主像素处理芯片)，该像素处理芯片包括用于处理由第一电磁辐射传感器102和第二电磁辐射传感器104两者生成的信号的模拟和/或数字电路(例如，模数转换器(ADC))。在一些情况下，像素处理芯片108可形成于由第二电磁辐射传感器104共享的半导体衬底上。第一电磁辐射传感器102可通过穿过或围绕第二电磁辐射传感器104进行路由的导体电连接到像素处理芯片108。
在一些实施方案中，堆叠式电磁辐射传感器110(并且更具体地，第一电磁辐射传感器102的电磁辐射接收表面114)可设置在相机100的任选的双带光谱滤光器116后面。双带光谱滤光器116可仅通过一定范围的可见光波长和一定范围的IR辐射波长。第一电磁辐射传感器102可具有用于将该可见光波长范围的一些或全部转换成第一组电信号的高QE，并且可具有用于将该IR辐射波长范围的一些或全部转换成第一组电信号的低QE。第二电磁辐射传感器104可具有用于将该IR辐射波长范围的一些或全部转换成第二组电信号的高QE。当第一电磁辐射传感器102具有用于将可见光波长转换成第一组电信号的高QE时，双带光谱滤光器116结合第一电磁辐射传感器102可有助于减少波长在第二电磁辐射传感器104的预期高QE范围之外的可见光和/或电磁辐射对第二电磁辐射传感器104的污染。
在一些实施方案中，相机100的任选自动聚焦(AF)机构118也可或另选地设置在第一电磁辐射传感器102的电磁辐射接收表面114上方(例如，其中双带光谱滤光器116定位在AF机构118与第一电磁辐射传感器102之间)。在一些情况下，AF机构118可以是相位检测自动聚焦(PDAF)机构，该机构包括金属遮罩、微透镜等。在一些情况下，AF机构118可被定位在堆叠式电磁辐射传感器110中的其他地方，或者可包括分布在堆叠式电磁辐射传感器110的不同层中的元件。在一些情况下，AF机构118可有助于将从FoV内接收的电磁辐射聚焦到堆叠式电磁辐射传感器110上，并且可部分地或完全地定位在电磁辐射通过其传播到堆叠式电磁辐射传感器110中或穿过该堆叠式电磁辐射传感器的路径之外。
在一些实施方案中，相机100的任选透镜或透镜系统(例如，透镜叠层)或外透镜120可设置在第一电磁辐射传感器102的电磁辐射接收表面114上方(例如，其中双带光谱滤光器116和AF机构118定位在透镜120与第一电磁辐射传感器102之间)。透镜120可有助于在第一电磁辐射传感器102和第二电磁辐射传感器104上形成所需质量的图像。
在一些实施方案中，其他部件可设置在图1所示部件之上、之下或之间。例如，各种透镜、滤光器或其他光学部件可定位在第一电磁辐射传感器102的电磁辐射接收表面114之上，和/或定位在第一电磁辐射传感器102与第二电磁辐射传感器104之间。
堆叠式电磁辐射传感器110可被不同地配置为可见图像传感器和IR深度传感器(例如，RGB图像传感器和IR深度传感器)、可见图像传感器和IR图像传感器(例如，RGB图像传感器和IR图像传感器)等。
图2示出了堆叠式电磁辐射传感器200的示例性分解图。类似于参考图1所描述的堆叠式电磁辐射传感器，堆叠式电磁辐射传感器200可包括堆叠在第二电磁辐射传感器上的第一电磁辐射传感器。因此，堆叠式电磁辐射传感器200可包含参考图1所描述的堆叠式电磁辐射传感器的一些或所有方面。
以举例的方式，并且出于说明的目的，第一电磁辐射传感器可以是RGB光传感器202，并且第二电磁辐射传感器可以是IR传感器204。然而，第一电磁辐射传感器和第二电磁辐射传感器中的每一者可采用其它形式，如参考图1所述。
如图2所示，RGB光传感器202可从堆叠式电磁辐射传感器200的电磁辐射接收侧(或照明侧220)包括透镜阵列206、滤色器阵列208和包括像素电路的光电探测器阵列210。在一些实施方案中，透镜阵列206可包括微透镜阵列。该微透镜阵列可包括定位在由滤色器阵列208限定的每个彩色像素上方的单独微透镜。在一些实施方案中，滤色器阵列208可包括拜耳图案滤色器，但滤色器阵列208可另选地包括不同类型的滤色器。以举例的方式，滤色器阵列208被示出为限定四个像素。在实际实施方案中，滤色器阵列208可限定数千或数百万的像素。
IR传感器204可以是堆叠背照式(BSI)硅基传感器。在一些实施方案中，堆叠BSI传感器可包括两个硅层：BSI层212，该BSI层包括BSI像素阵列，该BSI像素层吸收IR陷波光谱带内(或特定IR辐射波长下)的IR辐射；和像素处理芯片214，BSI层212堆叠在该像素处理芯片上。像素处理芯片214可包括用于IR传感器204的模拟和数字电路。在另选的实施方案中，IR传感器204可以是堆叠式正面照明(FSI)传感器或其他类型的IR传感器204。在一些实施方案中，IR传感器204可包括SPAD阵列或门锁定像素阵列，从而提供例如可用于生成深度信息的dToF或iToF测量值。
在一些实施方案中，BSI层212可使用铜到铜混合堆叠技术堆叠在像素处理芯片214上并且电连接到该像素处理芯片。RGB光传感器202也可使用晶片到晶片堆叠技术或晶片转移过程堆叠在IR传感器204上，其示例参考图14A至图15B进行了描述。可使用直通硅通孔(TSV)和/或其他电连接来提供像素处理芯片214与RGB光传感器202之间的连接。
像素处理芯片214可连接到RGB光传感器202和IR传感器204两者的像素电路/阵列(例如，连接到光电探测器阵列210的像素电路，以及连接到BSI层212的BSI像素阵列)。像素处理芯片214可包括用于RGB光传感器202和IR传感器204两者的数字和/或模拟读出电路。
由堆叠式电磁辐射传感器200接收的可见光可由透镜阵列206(例如，微透镜阵列)聚焦，与滤色器阵列208的吸收滤色器(例如，拜耳图案滤色器的红色、绿色和蓝色滤色器)颜色分离，并且被光电探测器阵列210的光电探测器吸收。至少一些IR辐射可穿过RGB光传感器202的各层到达IR传感器204。在一些实施方案中，堆叠式电磁辐射传感器200可包括以下两个附加层中的一者或两者——聚焦元件216(例如，衍射微透镜或任何其他类型的聚焦元件)和可见光阻挡滤光器218。聚焦元件216和可见光阻挡滤光器218可设置在RGB光传感器202与IR传感器204之间，以将IR辐射聚焦在一个或多个IR像素的敏感部分上，并且以阻挡可穿过RGB光传感器202的任何残余可见光。
为了实现高水平的性能，光电探测器阵列210可被配置为具有用于将可见光转换成电信号的高QE；RGB光传感器202的部件可被配置为具有用于将一定范围的IR辐射波长转换成电信号的低QE(并且在一些情况下，可在IR传感器204的IR陷波光谱带和/或包括堆叠式电磁辐射传感器(例如，如参考图1所述)的相机的双带光谱滤光器中不吸收任何IR辐射(或仅吸收微不足道量的IR辐射)；并且BSI层212上方的所有部件(在一些情况下包括TSV和路由部件)可提供IR辐射在IR传感器204的IR陷波光谱带和/或包括堆叠式电磁辐射传感器200的相机的双带光谱滤光器中的高透射率。当满足这些条件时，由RGB光传感器202生成的信号不会被IR辐射污染(或可能被最小程度地污染)，从而改善RGB光传感器输出的SNR和图像质量。当对具有高IR含量的低光场景成像时，这可能是特别有用的。另外，由IR传感器204生成的信号不会被可见光污染(或可能被最小程度地污染)。换句话讲，IR传感器204通过光电探测器阵列210以及通过可见光阻挡滤光器218(在包括滤光器218的实施方案中)通过可见光的高QE(或吸收率)屏蔽掉可见光。
另外，当满足上述条件时，RGB光传感器202和IR传感器204两者在其给定光学格式中可具有全分辨率；RGB光传感器202和IR传感器204的像素大小、像素架构和操作模式可被独立地选择，从而在RGB光传感器202和IR传感器204的设计和架构方面提供极大的灵活性；并且RGB光传感器202可具有与IR传感器204不同或更小的像素大小。在一些实施方案中，RGB光传感器202可被配置为在卷帘快门模式或全局快门模式下操作。
另外，当满足上述条件时，堆叠式电磁辐射传感器200可用于生成IR图像信息(例如，可用于调节可见图像的热图或色度信息)或IR深度信息(例如，深度图)。IR传感器204可包括卷帘快门或全局快门像素，或者dToF或iToF像素(即，用于获取dToF或iToF测量值的像素)，其具有与其在RGB光传感器202中的对应可见光像素相同或不同的分辨率。例如，IR像素的大小可以是RGB像素的整数(或非整数)倍数(或分部)。为了方便常用的读出电路，IR传感器204的像素大小可以是RGB光传感器202的像素大小的倍数。然而，这不是必要条件。作为示例，IR传感器204可具有4μm×4μm的像素大小(或分辨率)和1兆像素的像素阵列大小，但RGB光传感器202可具有1μm×1μm的像素大小(或分辨率)和16兆像素的像素阵列大小。这两个像素阵列可在相同的光学格式(例如，1/2.8英寸，纵横比为4:3)内使用。
为了实现最佳性能，IR传感器204的IR陷波光谱带应被选择为与RGB光传感器202对其敏感的可见光谱具有良好分离，使得RGB光传感器202的灵敏度与IR陷波光谱带不重叠或最小重叠。除此之外或另选地，RGB光传感器202和IR传感器204两者的光敏材料和设计可被选择为在其相应的电磁辐射灵敏度之间不提供重叠或提供最小重叠。在实践中，IR陷波光谱带可由成像系统需求决定，从而限定对RGB光传感器202和IR传感器204的光敏材料和设计的选择。
图3A示出了堆叠式电磁辐射传感器300的另一示例性分解图。堆叠式电磁辐射传感器300类似于参考图2所描述的堆叠式电磁辐射传感器，但图2的光电探测器阵列210是使用混合设计——例如，光敏材料302(或其他全色光敏层)与半导体衬底(例如，硅衬底)304结合来实现。半导体衬底304可包括用于光敏材料302的像素电路。光敏材料302(或全色光敏层)在一些情况下可包括量子点(QD)膜、有机材料等。
在一些实施方案中，光敏材料302可以是非硅基的，这可使其透射比硅基光电探测器阵列更多的电磁辐射。这可改善IR传感器204的操作。例如，考虑具有IR传感器204的堆叠式RGB-IR传感器的情况，该IR传感器具有大约940nm的IR陷波光谱带。IR陷波光谱带的宽度可由系统的透镜和其他光学参数限定，并且可为大约40-50nm。为了满足参考图2所描述的高性能的条件，RGB光传感器202应对高于～900nm的电磁辐射波长没有灵敏度或具有最小灵敏度(即，低QE)。IR传感器204可利用该假设来进行构造，并且可使用硅作为其光敏层。在一些情况下，IR传感器204可具有BSI堆叠硅传感器设计或FSI堆叠硅传感器设计。在RGB光传感器202中使用光敏材料302可使得RGB光传感器202能够将其灵敏度(或高QE范围)限制于低于～900nm的电磁辐射波长。
图3B示出了参考图3A所描述的RGB光传感器202与图3A中未具体示出的部件结合的立面310。
如图3B所示，用于光敏材料302的公共电极312(即，用于整个光敏材料302的电极)可定位在光敏材料302的电磁辐射接收表面314上并且与之电接触。单独的电触点316(例如，像素触点)可设置在光敏材料302的电磁辐射发射表面318上，其中每个单独的电触点316提供光敏材料302的一部分与相应像素的像素电路之间的电接触。像素电路可被包括在半导体衬底304中，并且可为光敏材料302提供控制和信号处理，包括电荷采集、kTC噪声消除等。在一些实施方案中，硅层(具有像素电路)的厚度可相当小——大约一微米(例如，一微米±10％或±1％)——以向IR传感器204提供IR辐射的高透射率。像素电路的元件、光敏材料302的触点以及提供信号路由的导电迹线可由透明材料制成，该透明材料提供IR辐射的高透射率。此类透明材料的示例包括氧化铟锡(ITO)、多晶硅等。
如前所述，光敏材料302可包括QD膜(QF)或有机材料。当光敏材料302包括QF时，全色光敏层可由包括半导体量子点阵列的膜形成。每个量子点的激子可被量子限制为小于体半导体激子玻尔半径的体积。量子点大小改变激子能量，从而提供将光学吸收起点调谐到所需的较高能量。光敏材料的组分可被选择为获得量子点大小、大小分布宽度、光学吸收起点、价带能和导带能的所需组合。
基于QF的全色光敏层的优点包括：目标光谱范围内电磁辐射的高吸收、目标光谱范围内的高量子效率(QE)、像素之间的高均匀度和低串扰、低暗电流、光谱响应调谐的灵活性、低操作电压以及与互补金属氧化物半导体(CMOS)成像过程的兼容性。在一些情况下，可通过改变QD大小来将QF的光学吸收起点调谐至更短或更长的波长。
另选地，光敏材料302可使用有机材料来实现。有机材料的活性层可包括例如单一类型的聚合物分子，或者不同聚合物分子(或聚合物和非聚合物有机分子)的本体异质结。基于有机基吸光材料的光敏材料302的像素架构和读出电路可类似于基于QF的光敏材料302的像素架构和读出电路。
光敏材料302(或全色光敏层)可使用各种方法来沉积，这些方法包括旋涂、狭缝挤压涂布、溶液喷墨印刷或真空沉积。
作为另一选项，光敏材料302和半导体衬底304可由包括BSI像素阵列的硅BSI层替换。然而，硅BSI层可对IR辐射敏感(或具有高QE)，并且这种IR灵敏度可利用IR辐射污染可见光图像并且降低SNR——尤其是在低光和存在丰富IR含量的情况下。在一些情况下，从颜色精度和/或白平衡的角度来看，可通过使用IR传感器204测量IR含量，并且使用IR传感器204的输出作为颜色处理器(或颜色处理算法)的输入来减轻可见光图像的IR污染的影响。另选地，在颜色精度不太重要的应用中，IR传感器204的输出可用于提高非常低的光条件下的亮度灵敏度。
图4A示出了堆叠式电磁辐射传感器400的又另一示例性分解图。类似于参考图1至图3A所描述的堆叠式电磁辐射传感器，堆叠式电磁辐射传感器400可包括堆叠在第二电磁辐射传感器上的第一电磁辐射传感器。因此，堆叠式电磁辐射传感器400可包含参考图1至图3A所描述的堆叠式电磁辐射传感器的一些或所有方面。
如前所述，并且在一些示例中，第一电磁辐射传感器可以是可见光传感器，诸如RGB光传感器402，并且第二电磁辐射传感器可以是IR传感器404。然而，第一电磁辐射传感器和第二电磁辐射传感器中的每一者可采用其他形式，如参考图1至图3B所述，并且如本文将进一步详细描述的。如图4A所示，RGB光传感器402可形成为堆叠在QF IR ToF传感器(或其他QF IR传感器)上的基于半导体的(或硅基)像素阵列。
在图4A中，RGB光传感器402可以是硅基RGB传感器，并且可从堆叠式电磁辐射传感器400的电磁辐射接收侧(或照明侧)包括透镜阵列406、滤色器阵列408和可包括像素电路的光电探测器阵列410。在一些实施方案中，透镜阵列406可包括微透镜阵列。该微透镜阵列可包括定位在由滤色器阵列408限定的每个彩色像素上方的单独微透镜。在一些示例中，光电探测器阵列410可使用混合设计来实现，并且可包括与半导体衬底结合的光敏材料(或其他全色光敏层)。半导体衬底可包括用于光敏材料的像素电路。在一些情况下，光敏材料(或全色光敏层)可使用QF、有机材料等来实现，如本文将进一步详细讨论的。
IR传感器404可利用单独的光敏材料(例如，QF 415)来实现，该光敏材料可在两种材料之间的界面处和/或周围形成QF/硅异质结。此外，在一些示例中，IR传感器404可包括像素处理芯片414。像素处理芯片414可包括用于IR传感器404的模拟和/或数字电路。QF/硅异质结可实现IR传感器404的高速操作，这对于深度感测、或深度感测与RGB光感测的组合和/或其他应用可能是令人期望的。此外，QF/硅异质结可被实现为可调谐带隙设备，其可用于例如dToF和/或iToF深度图获取。通过调谐QF的带隙，IR传感器404可被制成为对超过硅的带隙的电磁辐射敏感(或被调谐成具有高QE)。在图4A的示例中，QF的带隙可窄于或小于硅，并且在一些情况下可小于约1.1eV。
在一些示例中，对超过用于RGB成像的材料的带隙的电磁辐射敏感的基于QF的图像传感器可允许RGB光传感器402直接堆叠在QF上。此外，RGB光传感器402可堆叠在IR传感器404的顶部上，使得照明路径可首先穿过RGB光传感器402，并且然后可由IR传感器404接收。即使RGB光传感器402可直接位于IR传感器404上，也可减轻或避免IR照明对RGB光传感器像素的污染。因此，将QF用作光敏材料可在堆叠式电磁辐射传感器400中使用更少的空间，从而允许半导体衬底内更多的空间用于附加电路，或者允许半导体衬底内的最大阱容更大。
在一些示例中，QF/硅异质结可减小不期望的电容(例如，可能减慢IR传感器404的操作的电容)。在一些示例中，QF可经由氧化铟锡/氮化钛底部触点和铜插头或线与像素晶体管接触。该氧化铟锡/氮化钛和铜插头可导致IR传感器404的不期望电容和较慢操作，从而使得设备对于深度感测应用而言太慢。通过在IR传感器404中使用QF/硅异质结，可充分减小电容以实现用于深度感测应用的更高操作速度。本文进一步详细讨论了异质结。
QF带隙的选择可基于各种考虑因素。在一些示例中，QF带隙可被选择为使得激光和/或二极管光源(例如，IR照明器)可遵照安全要求操作，这可进一步导致更高的照明功率和更好的SNR比。改善SNR的另一考虑因素可在于将QF的带隙选择为尽可能宽。这样做时，暗电流可减小，这可改善SNR。
如前所述，图4A的IR传感器404可用于ToF深度感测。为了实现IR传感器404的快速操作速度，可考虑多种因素。一个这种考虑因素可以是QF响应时间。QF响应时间可取决于任何单个因素和/或因素的组合，诸如用于QF的材料的迁移率、QF的厚度以及可施加到QF的偏置电压。
传感器400可用于各种环境中，包括建筑物内部或晴天室外。对于可能存在阳光的外部环境，阳光的电磁辐射或太阳光谱可至少部分地污染IR传感器404。在该示例中，IR传感器404中所使用的QF的带隙可被选择为在太阳光谱为最小的波长下具有高吸收系数。用于使太阳光谱的吸收最小化的波长可包括大约以下量的波长：940nm或其左右、1125nm或其左右、1370nm或其左右、和/或1550nm或其左右。在图4A中，IR传感器404的QF可对大于1100nm的近似波长或近似波长范围敏感，这可有助于使IR传感器404吸收的太阳背景照明最小化。此外，大于约940nm的波长可对激光顺应性标准具有较低辐照度限制，这可允许更强或更高的功率发射器。
由于用于ToF感测的高速操作的性质，可考虑QF的多种材料特性。在一些示例中，可通过使QF的光吸收最大化来实现更高的外量子效率。在这些情况下，所吸收的入射光的比例可按单程近似计算为：
％A＝1-exp(-αd)
其中A是所吸收的入射光的比例，α是在操作波长下的膜吸收系数，并且d是QF厚度。在一些示例中，足够的吸收剂可具有在10000cm-1至20000cm-1的近似范围内的α。QF操作速度可受到QF中光生电荷传输时间ttr的影响。传输时间可被表达为：
ttr＝d2/μV
其中d是QF厚度，μ是电荷迁移率，并且V是所施加的偏压。一般来讲，对于QF，μ可在0.01cm2V-1s-1至1cm2V-1s-1的近似范围内。在一些示例中，为了实现期望的传输时间和量子效率，可确定对应的最小迁移率和QF厚度。
图4B示出了堆叠式电磁辐射传感器400b的另一示例性分解图。类似于参考图1至图4A所描述的堆叠式电磁辐射传感器，堆叠式电磁辐射传感器400b可包括堆叠在第二电磁辐射传感器上的第一电磁辐射传感器。因此，堆叠式电磁辐射传感器400b可包含参考图1至图4A所描述的堆叠式电磁辐射传感器的一些或所有方面。
如前所述，并且在一些示例中，第一电磁辐射传感器可以是可见光传感器，诸如RGB光传感器402b，并且第二电磁辐射传感器可以是IR传感器404b。第一电磁辐射传感器和第二电磁辐射传感器中的每一者可采用其他形式，如参考图1至图4A所述，并且如本文将进一步详细描述的。如图4B所示，QF RGB光传感器可堆叠在QF IR ToF传感器(或其他QF IR传感器)上。
IR吸收QF的带隙可被选择为在太阳光谱为最小的波长下具有高吸收系数。用于使太阳光谱的吸收最小化的波长可包括大约以下量的波长：940nm或其左右、1125nm或其左右、1370nm或其左右、和/或1550nm或其左右。在图4B中，QF IR ToF传感器可吸收大于940nm的近似波长或近似波长范围，这可有助于使由IR传感器404b吸收的太阳背景照明最小化。
图4B可包括RGB光传感器402b，但是图4B可包括具有单独光敏材料(例如，QF407b)的RGB光传感器402，而不是如图4A所描绘的硅基RGB光传感器。在图4B中，顶部RGB QF407b的带隙可被选择为足够窄以吸收高达约700nm的可见色谱，但可宽于底部IR吸收光敏材料(例如，另一个QF)的带隙。可按以下方式选择带隙，该方式使得被感测用于ToF测量的电磁辐射可能不被基于QF的RGB光传感器402吸收。
此外，图4B可包括类似于参考图4A所讨论的那些元件的元件，诸如从堆叠式电磁辐射传感器400b的电磁辐射接收侧(或照明侧)起为透镜阵列406b、滤色器阵列408b和用于QF 407b的像素电路410b。在一些实施方案中，透镜阵列406b可包括微透镜阵列。该微透镜阵列可包括定位在由滤色器阵列408b限定的每个彩色像素上方的单独微透镜。图4B还可包含其他元件，如相对于图4A所讨论的。此外，在一些示例中，图4A和图4B中描绘的类似编号的元件可共享类似的特性。
IR传感器404b可包括QF 415b，其可在两种材料之间的界面处和/或周围形成QF/硅异质结。QF/硅异质结可实现IR传感器404b的高速操作，这对于深度感测、或深度感测与RGB光感测的组合和/或其他应用可能是令人期望的。此外，QF/硅异质结可被实现为可调谐带隙设备，其可用于ToF(例如，dToF和/或iToF)深度测量。在图4B的示例中，基于QF的IR传感器404的带隙可窄于或小于硅的带隙，并且在一些情况下可小于约1.1eV。
图4C示出了堆叠式电磁辐射传感器400c的另一示例性分解图。堆叠式电磁辐射传感器400c可感测或检测IR辐射，类似于参考图1至图4B所描述的IR传感器。因此，堆叠式电磁辐射传感器400c可包含参考图1至图4B所描述的IR传感器的一些或所有方面。
IR传感器404c可包括光敏材料(例如，QF 415c)，其可在两种材料之间的界面处和/或周围形成QF/硅异质结。QF/硅异质结可实现IR传感器404c的高速操作，这对于深度感测、或深度感测与RGB光感测的组合和/或其他应用可能是令人期望的。此外，QF/硅异质结可被实现为可调谐带隙设备，其可用于ToF(例如，dToF和/或iToF)深度测量。在图4C中，基于QF的IR ToF传感器可吸收940nm、其左右或以上的近似波长或近似波长范围。
在图4C的示例中，QF 415c的带隙可窄于或小于硅的带隙，并且在一些实施方案中可以是约1.1eV左右或以下。通过选择小于硅的带隙的QF带隙，可降低(并且在一些情况下消除)硅电路中的杂散光灵敏度。此外，QF的带隙可被选择为在IR辐射的范围内，使得由相关联的IR照明器提供的照明可能对人眼不可见。
图5A示出了堆叠式电磁辐射传感器500的另一分解图示例。类似于参考图1至图4C所描述的堆叠式电磁辐射传感器，堆叠式电磁辐射传感器500可包括堆叠在第二电磁辐射传感器上的第一电磁辐射传感器。因此，堆叠式电磁辐射传感器500可包含参考图1至图4C所描述的堆叠式电磁辐射传感器的一些或所有方面。
如前所述，并且在一些示例中，第一电磁辐射传感器可以是可见光传感器，诸如RGB光传感器502，并且第二电磁辐射传感器可以是IR传感器504。然而，第一电磁辐射传感器和第二电磁辐射传感器中的每一者可采用其他形式，如参考图1至图4C所述，并且如本文将进一步详细描述的。如图5A所示，RGB光传感器502可以是堆叠在QF IR图像传感器上的硅基传感器。
类似于图4A，RGB光传感器502可以是硅基RGB光传感器，并且可包括如相对于至少图4A所讨论的类似元件。堆叠式电磁辐射传感器500还可包括IR传感器504，该IR传感器可包括光敏材料(例如，QF)，该光敏材料可在QF与半导体衬底(例如，硅衬底)之间的界面处和/或周围形成QF/硅异质结，该半导体衬底包括用于QF的像素电路。QF/硅异质结可被包括在图像传感器中，并且在图5A的示例中可产生比采用颜色传感器的拜耳布置的图像传感器更高质量的RGB信号和更高质量的IR信号，该颜色传感器散布RGB滤光器和IR滤光器。在一些实施方案中，堆叠式电磁辐射传感器500结构可用于面部识别应用。在一些示例中，面部识别可基于来自IR图像的信息，和可由机器学习生成的深度信息，或从任何其他类型的深度传感器获得的信息。
此外，电磁辐射传感器500的堆叠结构可有助于控制泛光照明。可选择可用于IR图像的IR泛光照明以避免污染硅RGB像素。另外，泛光照明可处于约1125nm和/或1370nm左右的最小环境背景照明的区域中。在堆叠结构的一些示例中，硅基RGB传感器可透射IR辐射。此外，RGB传感器可堆叠在IR传感器的顶部上，使得照明路径可首先穿过RGB传感器，并且然后可由IR传感器接收。即使RGB传感器可与IR QF传感器相邻，也可减少或避免IR照明对RGB传感器像素的污染。
类似于本文所讨论的其他示例，QF带隙的选择可基于各种考虑因素。在一些示例中，QF带隙可被选择为使得激光和/或二极管光源可遵照安全要求操作，这可进一步导致更高的照明功率和更好的信噪比(SNR)。改善SNR比的另一考虑因素可在于将IR吸收QF的带隙选择为尽可能大或尽可能宽。这样做时，暗电流可减小，这可改善SNR比。在一些示例中，QF带隙可窄于或小于硅，并且可以是约1.1eV左右或以下。此外，QF IR辐射吸收器可在图像感测设备中使用更少的空间，从而允许硅层内更多的空间用于附加电路或硅层内最大阱容更大。
图5A的图像感测设备可用于各种环境中，包括建筑物内部或晴天室外。对于可能存在阳光的外部环境，阳光的电磁辐射或太阳光谱可至少部分地污染IR传感器。在该示例中，IR吸收QF带隙可被选择为在太阳光谱为最小的波长下具有高吸收系数。用于使太阳光谱的吸收最小化的波长可包括大约以下量的波长：940nm、1125nm、1370nm、和/或1550nm或它们左右。在图5A中，QF IR传感器可利用大于1100nm的近似波长或近似波长范围，这可有助于使到达IR传感器的太阳背景照明最小化。此外，大于约940nm的波长可对激光顺应性标准具有较低辐照度限制，这可允许更强或更高的功率发射器。此外，与使用较短波长的吸收量子点膜相比，使用较长波长可使皮肤反射最小化。
图5B示出了堆叠式电磁辐射传感器500b的又另一分解图示例。类似于参考图1至图5A所描述的电磁辐射传感器，电磁辐射传感器500b可包括堆叠在第二电磁辐射传感器上的第一电磁辐射传感器。因此，堆叠式电磁辐射传感器500b可包含参考图1至图5A所描述的堆叠式电磁辐射传感器的一些或所有方面。
如前所述，并且在一些示例中，第一电磁辐射传感器可以是可见光传感器，诸如RGB光传感器502b，并且第二电磁辐射传感器可以是IR传感器504b。第一电磁辐射传感器和第二电磁辐射传感器中的每一者可采用其他形式，如参考图1至图5A所述，并且如本文将进一步详细描述的。如图5B所示，QF RGB传感器可堆叠在QF IR传感器上。在图5B中，QF IR传感器可利用大于940nm的近似波长或近似波长范围，这可有助于使可到达IR传感器的太阳背景照明最小化。
图5B的IR吸收QF带隙可被选择为在太阳光谱为最小的波长下具有高吸收系数。用于使太阳光谱的吸收最小化的波长可包括大约以下量的波长：940nm、1125nm、1370nm、和/或1550nm或它们左右。在图5B中，QF IR传感器可利用大于940nm的近似波长或近似波长范围，这可有助于使到达IR传感器的太阳背景照明最小化。
图5B可包括RGB光传感器502b，但是图5B可包括QF 507b RGB传感器，而不是如图5A所描绘的硅基RGB传感器。在图5B中，顶部RGB QF层的带隙可被选择为足够小或足够窄以吸收高达约700nm的可见色谱，但可宽于底部IR吸收QF层的带隙。可按以下方式选择带隙，该方式使得可用于IR图像采集的电磁辐射或光可能不被RGB QF传感器吸收。此外，图5B可包括与图4A至图5A类似的元件，并且在一些示例中，图4A至图5A所描绘的类似编号的元件可共享类似特性。
IR传感器504b可包括QF 515b，其可在两种材料之间的界面处和/或周围形成QF/硅异质结。此外，QF/硅异质结可被实现为可调谐带隙设备，其可用于IR图像采集。在图5B的示例中，QF IR传感器层的带隙可窄于或小于硅，并且可小于约1.1eV。小于约1.1eV的QF带隙可降低和/或消除硅电路中的杂散光灵敏度。
使用与其支撑像素电路分开(如图3A至图3B、图4A至图4C、和图5A和图5B所示)的光敏材料(或全色光敏层)来实现光电探测器阵列可能妨碍硅基光电探测器阵列在电荷(光电荷)读出期间消除(或降低)kTC噪声的固有能力。例如，光电二极管从包含像素电路(例如，电荷聚积和读出电路，或“读出”电路)的硅半导体到单独半导体的移动可妨碍基于相关双采样(CDS)降低kTC噪声。
与典型的堆叠式BSI图像传感器的要求相反，包括用于单独光敏材料的像素电路的半导体衬底可包括p沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管和n沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管两者，而光电探测器的性能不会特别降低，这是因为在单独的材料中发生光转换。如早前所提及的，材料的像素化可通过电触点在其电磁辐射发射表面上的分布来确定。在一些示例中，每个像素可具有一个此类电触点，该电触点可通过一个或多个金属互连(例如，其叠层)电连接到像素的像素电路(或读出电路)中的硅扩散节点(或感测节点(SN))。光敏材料中生成的电荷可聚积在由限定像素的电触点、连接到电触点的金属堆叠通孔、SN以及耦接到这些结构的任何寄生电容形成的电容上。理想的是，为了有效收集并且在电荷累积开始之前，SN需要被重置到高电位(用于收集电子)或低电位(用于收集空穴)。然而，上述电荷聚积结构的缺点在于，与电荷累积节点直接接触的金属的存在会阻止在发生重置时该电位阱的电荷完全耗尽。因此，不能执行CDS和重置的经典操作，该经典操作广泛用于4T硅卷帘快门图像传感器中的kTC降噪。
图6A至图6C示出了当使用与包括其支撑像素电路的半导体衬底分开的光敏材料(或全色光敏层(PanCh))实现光电探测器阵列时用于降低kTC噪声的各种选项。参考图6A至图6C所描述的降噪电路可被包括作为半导体衬底中的像素电路的一部分。降噪电路可用于例如可见光传感器或IR传感器，并且当用于可见光传感器或堆叠在IR传感器上的其他传感器时，可(在一些实施方案中)包括透射IR辐射或其他类型的电磁辐射的部件。
图6A示出了列内降噪电路600(即，可用于为像素阵列的列(或行)中的像素提供降噪的降噪电路)的示例。在电路600中，反馈回路602用于在重置期间调控集成节点614的电压，在该反馈回路中，列放大器604具有连接到列读出线606和参考电压(REF)的输入以及在反馈晶体管612的控制下向重置晶体管610提供电压的输出608。每个像素需要两个电容器616、618来降低实际重置噪声。重置噪声的衰减是回路增益A和两个电容器(CS 616和CC618)的值的函数，并且等于1/sqrt(A*CS/CC)和1/(A*CC/CSN)。为了获得良好的降噪，电容器CS 616和CC 618的大小应为大约10×CSN 620，因此通常为大约10～50fF。尽管该解决方案可提供非常好的降噪性能，但其可能并不总是提供足够的IR透明度，因为在金属(具有金属-绝缘体-金属(MiM)或3D结构)中或在硅(具有沟槽电容器)中实现较大IR透明电容器而不阻挡IR辐射是具有挑战性的，并且在一些情况下可能需要像素大于期望像素。
图6B示出了像素内降噪电路630的示例。电路630可利用每个像素相对较少的设备(例如，相对较少的晶体管)来提供良好的kTC降噪，并且使得多行中的像素能够同时被重置。然而，电路600可能需要更大且更高功率的PMOS晶体管632(除了更小且更低功率的NMOS晶体管之外)以减少像素读出时间。
利用NMOS和PMOS均可存在于支持光敏材料的半导体衬底的读出电路中这一事实，反馈电路的放大器634在电路630中从列移动到像素。每个像素具有专用CMOS放大器634，该专用CMOS放大器可用于在重置期间调控集成节点636处的电压。同样在电路630中，由于反馈的局部性，所以图6A所示的像素内电容器可被丢弃，但代价是降噪可能更低。CMOS放大器634的具体实施使用每像素n阱。这可限制最小像素大小，取决于具体实施技术。然而，反馈的局部性可提供快速的重置时间，因为重置回路的带宽不受图6A所示电路的长列线的限制。
图6C示出了示例性像素列降噪电路640。电路640可提供良好的kTC降噪，并且可使用比参考图6A和图6B所描述的电路更少的部件来实现(例如，每个像素仅三个晶体管642、644、646)。电路640还可允许比参考图6A和图6B所描述的电路更小的像素大小。
通过利用列读出晶体管，像素源极跟随器和选择晶体管644、646可被重新配置为充当公共源极放大器。然而，对于较小像素的权衡可能是更复杂的读取电路以及不能同时重置同一读取总线上的多个像素。如果该权衡是可接受的，则电路640利用最小数量的晶体管并且不利用电容器来提供降噪，这可使甚至小像素的IR辐射透射率最大化。
作为参考图6A至图6C所描述的kTC降噪电路的替代，可使用根本不影响像素内电路而是在系统侧上实现的kTC降噪。一个选项是数字CDS。在该模式下，所有像素都以卷帘快门方式重置，并且重置电平由阵列边缘处的ADC转换并被存储在图像传感器或图像信号处理器(ISP)中的某个地方处的存储器帧中。在由曝光控制装置控制的可编程时间之后，能够以卷帘快门方式读出所有像素，并且可在芯片上或在ISP中以数字方式减去每个重置电平。该技术完全消除kTC噪声贡献，以换取更高的具体实施面积和功率消耗来操作存储器帧。然而，系统侧的kTC降噪在像素电路内提供最佳IR辐射透明度。
图7A和图7B示出了堆叠式电磁辐射传感器700(图7A)或720(图7B)的示例性立面，并且更具体地示出了堆叠在IR传感器706上的RGB光传感器704(或其他可见光传感器)的像素电路702与像素处理芯片708之间的互连的示例。如图所示，IR传感器706的部件和任选地其他部件710(例如，聚焦元件和/或可见光阻挡滤光器)可设置在像素电路702与像素处理芯片708之间。RGB光传感器704可具有或可不具有与包括像素电路的半导体衬底分开的光敏材料(例如，层730)。类似地，IR传感器706可具有或可不具有与包括像素电路的半导体衬底分开的光敏材料(未示出)。
在图7A中，RGB光传感器704的像素电路702可使用TSV(包括TSV 712和714)电连接到像素处理芯片708中的电路，该TSV穿过设置在像素电路702与像素处理芯片708之间的部件/层进行路由。TSV 712、714可位于RGB光传感器704和IR传感器706的像素阵列716、718之外，并且围绕像素电路702的外围设置。在一些实施方案中，该架构可通过像素电路702中的像素的坐标寻址来实现。各个像素的晶体管与共享TSV 712、714之间的连接可使用水平总线和垂直总线来实现，该总线可对IR辐射透明。可用于水平总线和垂直总线的材料的示例包括ITO、多晶硅等。类似材料可用于晶体管和/或各个像素的其他部件之间的局部连接。
在图7B中，RGB光传感器704的像素电路702也使用TSV 722、724、726、728电连接到像素处理芯片708中的电路，该TSV穿过设置在像素电路702与像素处理芯片708之间的部件/层进行路由。然而，在图7B中，TSV 722、724、726、728将RGB光传感器704中的各个像素的像素电路或者RGB光传感器704 702中的像素组连接到像素处理芯片708。在这种情况下，TSV 722、724、726、728可位于RGB光传感器704和IR传感器706的像素阵列716、71内。晶体管和/或各个像素的其他部件之间的局部连接可使用对IR辐射透明的材料来实现。
当IR传感器706中的像素的大小是RGB光传感器704中的像素的整数倍时，TSV722、724、726、728可沿着IR传感器706中的像素的边界进行定位，以使TSV 722、724、726、728必须阻挡IR辐射的任何趋势最小化。另选地，TSV可以其他方式进行定位。
在一些实施方案中，图7A所示的互连选项可利用RGB光传感器的像素的坐标寻址来实现，并且可能需要低电阻总线来实现RGB光传感器704的高帧率操作(或者RGB光传感器可能因其他原因而需要实现高帧率操作)。图8A所示的互连方法可与图7A所示的互连选项结合使用，从而提供用于RGB光传感器704中的像素组的低电阻(和可能不透明的)金属总线与RGB光传感器704中的像素组内的透明局部连接的组合。另选地，像素与TSV之间的所有信号路由都可使用透明材料来形成。
如图8A所示，RGB光传感器704的像素802可小于IR传感器706的像素804。4-1、16-1的比率(如图所示)或RGB-IR像素的其他比率可能是有用的，并且当IR传感器706是ToF传感器时可能尤其有用。
用于为RGB像素802群集(例如，金属总线)提供坐标寻址的低电阻总线806可位于IR像素804的外围处。将通常为金属且不透明的低电阻总线806放置在IR像素804的外围上可能不会显著影响IR像素804所接收的IR辐射的量，这是因为IR像素804的外围通常不是IR像素804的IR敏感区域。
尽管图8A中仅示出了少许水平低电阻总线806，但全尺寸RGB像素阵列可具有更多的总线，包括水平总线和垂直总线两者，这些总线连接到像素阵列内的所有像素，并且在一些情况下沿像素阵列的整个长度或宽度延伸。低电阻总线806可用于将各个像素802连接到围绕RGB像素阵列的外围设置的相应TSV。
透明总线808可局部连接一组RGB像素802内的RGB像素802。与低电阻总线806的长度相比，透明总线808的长度可较小，并且因此使用较高电阻材料(例如，ITO、多晶硅等)形成透明总线808可对信号稳定时间和像素读出时间具有相对较小的影响。
图8B示出了图8A所示的RGB像素802和IR像素804的布置，但TSV 722、724、726、728在IR传感器的像素阵列内围绕IR像素804进行路由，如参考图7B所述。图8B所示的互连将IR像素804的外围处的低电阻TSV 722、724、726、728与透明总线810组合，该透明总线局部地互连TSV 722、724、726、728与RGB像素802的像素电路。
图9A至图9C中的每一者示出了图7A所示的堆叠式电磁辐射传感器700的一部分，其中附加互连选项用于将信号路由到RGB光传感器704中的像素电路702的RGB像素/从其路由信号。图9A示出了示例性互连选项，其中图8A的低电阻总线806和透明总线808均设置在RGB光传感器704的像素电路702的电磁辐射接收表面902上。
图9B示出了示例性互连选项，其中透明总线808设置在像素电路702的电磁辐射接收表面902上，并且低电阻总线806设置在IR传感器706的像素电路的电磁辐射接收表面904上(例如，在BSI层的电磁辐射接收表面上)。在该示例中，透明总线808可通过TSV 906、908电耦合到低电阻总线806，该TSV延伸穿过RGB像素电路702和设置在RGB光传感器704与IR传感器706之间的其他部件710。TSV 906、908可由透明的或至少部分透射的材料(例如，ITO或多晶硅)形成。在一些情况下，将低电阻总线806移动得更靠近IR传感器706并且形成透明材料的TSV可使得更多IR辐射能够到达IR传感器706。低电阻总线806可通过低电阻导电迹线(例如，金属迹线)电耦接到围绕像素电路702的外围的TSV 712、714。当像素电路702与TSV712、714之间的所有电连接均设在像素电路702的表面904上时，TSV 712、714在一些情况下可仅在像素处理芯片708与表面904之间延伸。
图9C示出了类似于图9B所示的互连选项的示例性互连选项。然而，将透明总线808耦接到低电阻总线806的TSV 906、908由不透明材料(例如，金属)形成。在一些情况下，将低电阻总线806移动得更靠近IR传感器706并且形成不透明材料的TSV可有助于在IR辐射被散射同时穿过RGB光传感器704时减轻IR像素之间的光学串扰。
图10至图13L示出了将半导体衬底(例如，硅衬底)中的像素电路连接到单独的光敏材料(或其他全色光敏层)的电触点的各种配置。像素电路与光敏材料之间的电触点(例如，参考图3A至图3B、图4A至图4C、图5A至图5B、图7A至图7B、或图9A至图9C中的任一者所描述的任何电磁辐射传感器中所示的像素电路和光敏材料之间的触点)在一些情况下可被配置为使得它们向光敏材料(或全色光敏层)提供载流子选择性欧姆接触。就堆叠在IR传感器上的可见光传感器而言，电触点也可对由IR传感器感测的IR辐射(例如，近红外(NIR)辐射)高度透明。电触点可以是e-选择性的(ETL)或h+选择性的(HTL)，这取决于合适材料的可用性和像素电路的设计。无论选择哪种类型的电触点来用于将像素电路连接到光敏材料，相反类型的电触点都可用于连接到光敏材料的电磁辐射接收表面的公共电极(例如，参考图3B描述的公共电极312)。就可见光传感器(或叠层顶部的电磁辐射传感器)而言，连接到光敏材料的两个表面的电触点或电极应该对由堆叠在可见光传感器(或叠层底部的电磁辐射传感器)下方的IR传感器感测到的IR辐射具有高透明度，并且连接到光敏材料的电磁辐射接收表面的电触点或电极也应该对可见(例如，RGB)光具有高透射率。
图10示出了用于将光敏材料(或其他全色光敏层)1004连接到像素电路1006的电触点1002的第一示例性配置1000。通孔1008可形成于二氧化硅(SiO2)层1014中，并且将电触点1002电连接到像素电路1006的金属化(例如，导体)。通孔1008可使用IR透明材料(诸如IR透明非晶硅(a-Si))来形成于SiO2层1014中。
电触点1002可以是多层电触点，并且可包括ITO或铝掺杂氧化锌(AZO)的第一层1010，该第一层被第二层1012覆盖，该第二层被配置为e-传输层(ETL)或h+传输层(HTL)，以与光敏材料1004进行欧姆和载流子选择性接触。
当第二层1012是ETL，使得电触点1002被配置为收集电子(e-)时，第一层1010可以是深功函数透明金属(包括ITO)或浅功函数透明金属(包括AZO)。需注意，浅功函数材料(比如AZO)可更有利于欧姆接触，但如果ETL第二层1012被充分掺杂使得在ETL/ITO界面处形成的势垒足够薄以用于载流子隧穿，则可使用深功函数金属(比如ITO)。
当第二层1012是HTL，使得电触点1002被配置为收集空穴(h+)时，第一层1010可再次是深功函数透明金属或浅功函数透明金属。
图11示出了用于将光敏材料(或其他全色光敏层)1104连接到像素电路1106的电触点1102的第一示例性配置1100。通孔1108可形成于SiO2层1110中，并且将电触点1102电连接到像素电路1106的金属化(例如，导体)。通孔1108可使用IR透明材料(诸如IR透明非晶硅(a-Si))来形成于SiO2层1110中。
电触点1102可以是单层电触点，并且可使用AZO来形成，这可提供e-传输层(ETL)以与光敏材料1104进行欧姆和载流子选择性接触。
图12示出了用于将光敏材料(或其他全色光敏材料)1204连接到像素电路1206的电触点1202的第三示例性配置1200。通孔1208可形成于SiO2层1214中，并且将电触点1202电连接到像素电路1206的金属化(例如，导体)。通孔1208可使用IR透明材料(诸如IR透明非晶硅(a-Si))来形成于SiO2层1214中。
电触点1202可以是多层电触点，并且可包括用于形成通孔1208的相同IR透明非晶硅的第一层1210，该第一层被第二层1212覆盖，该第二层被配置为e-传输层(ETL)或h+传输层(HTL)，以与光敏材料1204进行欧姆和载流子选择性接触。在该配置中，a-Si可被选择用于使电触点1202的整个尺寸上的任何欧姆电压损失最小化。
当第二层1212是ETL，使得电触点1202被配置为收集电子(e-)时，第一层1210可以是n掺杂a-Si。在另选的实施方案中，能级与光敏材料1204对准的n掺杂a-Si可在没有第二层1212的情况下使用(并且可用作ETL本身)。
当第二层1212是HTL，使得电触点1202被配置为收集空穴(h+)时，第一层1210可以是p掺杂a-Si。在另选的实施方案中，能级与光敏材料1204对准的p掺杂a-Si可在没有第二层1212的情况下使用(并且可用作HTL本身)。
在图10至图12所示的互连配置中，合适的ETL材料包括氧化锌(ZnO)、二氧化钛(TiO2)、铌掺杂氧化钛(Nb:TiO2)、氧化锡(IV)(SnO2)、锡掺杂二氧化钛(Sn:TiO2)或铝掺杂氧化锌(Al:ZnO或AZO)。同样在图10至图12所示的互连配置中，合适的HTL材料包括三氧化钼(MoO3)、三氧化钨(WO3)、五氧化二钒(V2O5)、氧化镍(II)(NiO)、硫氰酸铜(CuSCN)、氧化铜(II)(CuO)或锡掺杂氧化铟(Sn:In2O3或ITO)。
同样在图10至图12所示的互连配置中，通孔(其连接到可见光传感器(或叠层顶部的电磁辐射传感器)中光敏材料的底表面上的电触点并且延伸穿过可见光传感器的半导体衬底)可使用非晶硅和/或对由堆叠在可见光传感器下方的IR传感器感测的IR辐射(例如，NIR辐射)具有高透明度的其他导电材料来形成。非晶硅可以是合适的选项，因为其具有比晶体硅更宽的带隙，并且其在NIR波长范围内具有良好的透明度。其也可作为n型材料或p型材料中的任一者或两者被重掺杂，以提供高导电性，并且存在用于填充在常规CMOS加工中由非晶硅形成的高纵横比通孔的成熟过程。
图13A示出了用于将光敏材料(或其他全色光敏材料)1304连接到像素电路1306的第四示例性配置1300。在该配置中，光敏材料1304直接沉积在耗尽的硅二极管1308上以形成全色硅异质结光电二极管。异质结可被完全耗尽以允许零kTC噪声。耗尽的硅二极管1308可与传输(Tx)门集成，以允许填充/排空全色硅异质结光电二极管。
如图13A中进一步所示，并且在一些实施方案中，光敏材料1304可以是轻掺杂n型光敏材料1304，并且可与轻掺杂且耗尽的p型硅层或区域(p-Si)1310直接接触。P型硅层的背面1312可包括n型注入物1314(n阱)，其完成硅二极管1308并且允许轻掺杂p型硅区域(或层)1310的完全耗尽。在另选的实施方案中，光敏材料1304可以是轻掺杂p型光敏材料1304，并且n型注入物1314可完全耗尽轻掺杂p型硅区域1310和轻掺杂p型光敏材料1304两者。
连接到不同像素的耗尽的硅二极管1308可通过深沟槽隔离(DTI)1320的壁彼此分开，或与其他像素电路分开。
图13B示出了图13A所示的互连的变型1316，其中在光敏材料y1304与轻掺杂且耗尽的p型硅区域1310的界面处提供重掺杂p型(P+)注入物1318。P型注入物1318的目的是制备用于p型硅区域1310的钉扎注入物，该钉扎注入物避免了p型硅区域1310一直耗尽到全色硅界面，其中悬空键密度高。这可减小全色硅异质结光电二极管的暗电流。P型注入物1318还可有助于耗尽轻掺杂n型光敏材料1304。
图13C至图13L示出了可与图13A或图13B所示的结构组合的其他设计特征的示例。图13C示出了可在本文所描述的QF/硅异质结设备中实现的异质结1300c的一个示例。图13C描绘了轻掺杂或n掺杂硅区域(或n阱)1305c和p掺杂硅区域(或层)1310c。一般来讲，可向硅注入杂质或掺杂物以改变和/或控制材料的导电性。如图13C所示，p掺杂硅区域1310c可与本征QF 1315c形成异质结。本征QF 1315c可与p掺杂QF 1320c相邻，该p掺杂QF可与顶部触点1325c接触。本征QF和p掺杂QF一起可形成参考图3A至图3B、图4A至图4C和图5A至图5B所描述的QF。在一些示例中，QF 1315c可能不是本征的。相反，掺杂(例如n型或p型)可足够低，使得材料可在施加到顶部触点1325c的偏压下完全耗尽，使得电场可在整个QF层上是均匀的。此外，在一些示例中，本征QF 1315c可以是轻掺杂QF。
如图13C所示，电磁辐射可从顶部触点1325c的方向进入设备。此外，在图13C中，QF偏压1330c可被施加到顶部触点1325c。此外，该设备可以是本文在各种图像传感器配置中描述的像素的部件。
图13C的异质结可与一个或多个晶体管组合以实现完整像素。像素的各种配置可发生变化，并且可取决于预期的操作应用，诸如iToF、dToF、卷帘快门、全局快门等。此外，尽管本文所讨论的各种具体实施可在假设从QF到硅的电子传输以及硅中的电子收集来讨论，但也可实施其他类似设计，使得可将空穴传输到硅并且可在硅的p掺杂节点中发生空穴收集。
如图13C所示，异质结1300c可不包括二氧化硅的隔离层。即使没有隔离层，在收集节点处仍可能发生电子收集。这可由于电场而实现，该电场可在向异质结设备施加偏压之后在硅的p/n结处产生。
在图13C的示例中，p掺杂硅区域(或层)1310c可在n阱1305c收集节点与本征QF1315c之间利用，以最小化和/或防止硅在QF/硅界面处的耗尽。此外，可选择异质结1300c中所使用的材料的能级，使得能级“级联”。级联能级可允许电子在没有势垒的情况下在QF/硅界面上传输和/或行进。此外，电子可在没有势垒的情况下从QF行进到n阱1305c。尽管异质结中的每个异质结在n阱中不包括p+掺杂区域，但在一些实施方案中，p+区域可被包括在n阱内。
如本文所述，即使p掺杂硅可用于防止QF/硅界面处的耗尽，但在一些实施方案中，悬空键仍可存在于该界面处。在该示例中，费米能级可足够接近带边缘，使得由悬空键产生的任何暗电流可缓慢生成。因此，异质结可被认为是良好钝化的。
图13D示出了可在本文所描述的QF/硅异质结设备中实现的异质结1300d的另一示例。类似于图13C，图13D描绘了轻n掺杂硅区域或n阱1305d和p掺杂硅区域1310d。如图13D所示，p掺杂硅区域(或层)1310d可与本征QF 1315d形成异质结，但是也可包括中间界面钝化层1312d。本征QF 1315d可与顶部触点1325d接触。类似于图13C的示例，光可从顶部触点1325d的方向进入设备。此外，该设备可以是本文在各种图像传感器配置中描述的像素的部件。
在图13D中，p掺杂硅层和本征QF 1315d的界面可具有悬空键。尽管如先前相对于图13C所讨论的，异质结可被认为是良好钝化的，但本文讨论了另选的钝化方法。在一些示例中，界面钝化层1312d可用于降低QF/硅界面处的悬空键密度。在一个示例中，界面钝化层1312d可以是偶极子，该偶极子可包括氧化物，诸如但不限于Al2O3或HFO2，这两者均可用于钝化。在该示例中，包含氧化物的偶极子可具有足够薄以使电子隧穿通过的氧化物，诸如大约3nm、其左右或以下。
如本文所述，偶极子诱导层可在QF/硅界面处插入以至少部分地钝化悬空键。在一个示例中，当QF具有较小带隙(例如0.9eV)时，可能存在电子收集势垒(Φb)，这至少部分地是由于本征QF的导带边缘与n掺杂硅之间的偏移。该偏移可通过在QF/硅界面处或周围插入偶极子诱导层来解决，这可改变真空水平。
用于在QF/硅界面处钝化界面的另一种方法可包括采用非晶硅。在该示例中，非晶硅可比包含氧化物钝化方法的偶极子更厚。例如，由于非晶硅具有良好的电子传输特性，所以非晶硅可在3nm至100nm的近似范围内。
用于钝化QF/硅界面的又另一种方法可利用分子处理的硅钝化。该方法可包括通过与烷基卤化物(诸如碘化物和溴化物)反应而对H封端的硅进行烷基化。该方法还可通过H封端的硅与烯烃和炔烃的反应、HF氢化或NH4F氢化来实现。
采用另一种硅钝化方法可包括使用不同的晶体硅取向。硅的不同晶体生长取向可改变QF/硅界面处悬空键的密度。Si(111)的米勒指数可具有一个H键/硅原子，而Si(100)可具有两个H键。改变硅晶体生长取向可影响和/或改变其他钝化策略的效果。
图13E示出了可在本文所描述的QF/硅异质结设备中实现的异质结1300e的一个示例。类似于图13C，图13E描绘了轻n掺杂硅区域或n阱1305e和p掺杂硅区域(或层)1310e。如图13E所示，p掺杂硅区域1310e、p掺杂硅可与本征QF 1315e形成异质结。在图13E中，电隔离层1311e可以是位于p掺杂硅区域1310e与本征QF 1315e之间的局部层。图13E的其他方面可类似于相对于图13C至图13D所描述的元件。
在图13E中，电隔离层1311e可以是可在电隔离层所在的区域中将本征QF 1315e与p掺杂硅区域1310e电隔离的任何材料。在一些示例中，材料可以是氧化物，诸如二氧化硅SiO2。如所描绘的，电隔离层将本征QF 1315e与p掺杂硅区域1310e部分地分开。该电隔离层可用于将像素与QF界面电隔离并且更好地限定硅中的收集节点区。在一些示例中，电隔离层可以是图12D的界面钝化层的一部分。
图13F示出了可在本文所描述的QF/硅异质结设备中实现的异质结1300f的一个示例。类似于图13C至图13E，图13F描绘了轻n掺杂硅区域或n阱1305f和p掺杂硅区域(或层)1310f。如图13F所示，p掺杂硅区域1310f、p掺杂硅可与本征QF 1315f形成异质结。在图13F中，电隔离层1311f可以是位于p掺杂硅区域1310f与本征QF 1315f之间的局部层。在图13F中，电隔离层1311f可具有与图13E的电隔离层1311e类似的特性。此外，在图13F中，电磁辐射屏蔽层1313f可位于电隔离层1311f与本征QF 1315f之间。图13F的其他方面可类似于相对于图13C至图13E所描述的元件。
在图13F中，电磁辐射屏蔽层1313f可以是光学黑色材料(即，充分地吸收一定范围的波长的材料，其中充分地吸收被限定为至少50％的吸收，并且优选地为至少70％、80％或90％的吸收)。该层可被添加到异质结1300f以至少部分地屏蔽电磁辐射和/或光对读出电路的影响。当入射光可以是能够被硅吸收的波长(诸如大约1100nm、其左右或以下的波长)时，屏蔽层1313f可有效屏蔽读出电路。屏蔽层1313f可以是光学上为黑色的任何材料，包括但不限于金属或光敏聚合物。
图13G示出了可在本文所描述的QF/硅异质结设备中实现的异质结1300g的一个示例。类似于图13C至图13F，图13G描绘了轻n掺杂硅区域或n阱1305g和p掺杂硅区域(或层)1310g。如图13G所示，p掺杂硅区域1310g、p掺杂硅可与本征QF 1315g形成异质结，但也可包括中间界面钝化层1312g。在图13G中，电隔离层1311g可以是与界面钝化层1312g相邻定位的局部层。在图13G中，电隔离层1311g可具有与图13E的电隔离层1311E类似的特性。此外，在图13G中，电磁辐射屏蔽层1313g可与电隔离层1311g相邻定位。图13G所示的配置是一个示例，并且这些层可按任何其他适当的顺序进行定位。图13G的其他方面可类似于相对于图13C至图13F所描述的元件。
类似于图13D，在图13G中，p掺杂硅层和本征QF 1315g的界面可具有悬空键。尽管如先前相对于图13C所讨论的，异质结可被认为是良好钝化的，但本文讨论了另选的钝化方法。在一些示例中，界面钝化层1312g可用于降低QF/硅界面处的悬空键密度。在一个示例中，界面钝化层1312g可以是偶极子，该偶极子可包括氧化物，诸如但不限于Al2O3或HFO2，这两者均可用于钝化。在该示例中，包含氧化物的偶极子可具有足够薄以使电子隧穿通过的氧化物，诸如大约3nm、其左右或以下。
图13H示出了可在本文所描述的QF/硅异质结设备中实现的异质结1300h的一个示例。图13H描绘了轻n掺杂硅区域或n阱1305h和p掺杂硅区域(或层)1310h。如图13H所示，n掺杂硅可与本征QF 1315h形成异质结。图13H的其他方面可类似于相对于图13C至图13G所描述的元件。
如图13H所示，异质结1300h可不包括二氧化硅的隔离层。因此，在图13H所描绘的QF/硅界面处，由于未钝化的硅悬空键，所以可存在许多界面状态。在该示例中，硅可在界面处完全耗尽，并且悬空键可以是暗电流的生成中心。此外，并且如图13D所讨论的，异质结1300h可包括位于QF与硅之间的钝化层，以减轻QF/硅界面处界面状态的影响。
图13I示出了可在本文所描述的QF/硅异质结设备中实现的异质结1300i的另一示例。类似于图13D，图13I描绘了轻n掺杂硅区域或n阱1305i和p掺杂硅区域1310i。如图13I所示，n阱1305i可与本征QF 1315i形成异质结，但是也可包括中间界面钝化层1312i。本征QF1315i可与顶部触点1325i接触。类似于图13D的示例，光可从顶部触点1325i的方向进入设备。此外，该设备可以是本文在各种图像传感器配置中描述的像素的部件。
类似于图13D，在图13I中，n阱层和本征QF 1315i的界面可具有悬空键。在一些示例中，界面钝化层1312i可足够薄，使得电子可隧穿通过该层，从而在n阱层与本征QF之间形成有效界面。尽管如先前相对于图13C所讨论的，异质结可被认为是良好钝化的，但本文讨论了另选的钝化方法。在一些示例中，界面钝化层1312i可用于降低QF/硅界面处的悬空键密度。在一个示例中，界面钝化层1312i可以是偶极子，该偶极子可包括氧化物，诸如但不限于Al2O3或HFO2，这两者均可用于钝化。在该示例中，包含氧化物的偶极子可具有足够薄以使电子隧穿通过的氧化物，诸如大约3nm、其左右或以下。
图13J示出了可在本文所描述的QF/硅异质结设备中实现的异质结1300j的一个示例。类似于图13H，图13J描绘了轻n掺杂硅区域或n阱1305j和p掺杂硅区域(或层)1310j。如图13J所示，n掺杂硅(n阱)可与本征QF 1315j形成异质结。图13J的其他方面可类似于相对于图13C至图13I所描述的元件。
在图13J中，电隔离层1311j可以是可在电隔离层所在的区域中将本征QF 1315j与p掺杂硅区域1310j电隔离的任何材料。在一些示例中，电隔离材料可以是氧化物，诸如二氧化硅SiO2。如图13J所描绘的，电隔离层将本征QF 1315j与n阱1305j和p掺杂硅区域1310j部分地分开。该电隔离层可用于将像素与QF界面电隔离并且更好地限定硅中的收集节点区。
图13K示出了可在本文所描述的QF/硅异质结设备中实现的异质结1300k的一个示例。类似于图13C至图13J，图13K描绘了轻n掺杂硅区域或n阱1305k和p掺杂硅区域(或层)1310k。如图13K所示，n掺杂硅可与本征QF 1315k形成异质结。在图13K中，电隔离层1311k可以是位于包括n阱1305k和p掺杂硅区域1310k的层与本征QF 1315k之间的局部层。在图13K中，电隔离层1311k可具有与图13E的电隔离层1311e类似的特性。此外，在图13K中，电磁辐射屏蔽层1313k可位于电隔离层1311k与本征QF 1315k之间。图13K的其他方面可类似于相对于图13C至图13J所描述的元件。
在图13K中，电磁辐射屏蔽层1313k可以是光学黑色材料。该层可被添加到异质结1300k以至少部分地屏蔽电磁辐射和/或光对读出电路的影响。当入射光可以是能够被硅吸收的波长(诸如大约1100nm、其左右或以下的波长)时，屏蔽层1313k可有效屏蔽读出电路。屏蔽层1313k可以是光学上为黑色的任何材料，包括但不限于金属或吸收性聚合物。
图13L示出了可在本文所描述的QF/硅异质结设备中实现的异质结1300l的一个示例。类似于图13C至图13K，图13L描绘了轻n掺杂硅区域或n阱1305l和p掺杂硅区域(或层)1310l。如图13L所示，n阱1305l可与本征QF 1315l形成异质结，但是也可包括中间界面钝化层1312l。在图13L中，电隔离层1311l可以是与中间界面钝化层1312l相邻定位的局部层。在图13L中，电隔离层1311l可具有与图13E的电隔离层1311E类似的特性。此外，在图13L中，电磁辐射屏蔽层1313l可位于电隔离层1311l与界面钝化层1312l之间。图13L的其他方面可类似于相对于图13C至图13K所描述的元件。
类似于图13D，在图13L中，n阱层和本征QF 1315l的界面可具有悬空键。在一些示例中，即使界面钝化层1312l位于n阱层和本征QF层之间，钝化层也可足够薄以使电子可隧穿通过钝化层，使得n阱层和本征QF层有效地相邻。尽管如先前相对于图13C所讨论的，异质结可被认为是良好钝化的，但本文讨论了另选的钝化方法。在一些示例中，界面钝化层1312l可用于降低QF/硅界面处的悬空键密度。在一个示例中，界面钝化层1312l可以是偶极子，该偶极子可包括氧化物，诸如但不限于Al2O3或HFO2，这两者均可用于钝化。在该示例中，包含氧化物的偶极子可具有足够薄以使电子隧穿通过的氧化物，诸如大约3nm、其左右或以下。
图14A中示出了用于制备堆叠式电磁辐射传感器的示例性过程1400。以举例的方式，参考堆叠在IR传感器上的RGB光传感器描述了过程1400，其中RGB光传感器包括沉积在半导体衬底上的光敏材料，并且IR传感器是硅基传感器。
在过程1400中的一个步骤处，RGB光传感器的半导体衬底(例如，硅衬底)1402可根据FSI过程来形成，其中其正面1404面向虚拟晶片1406堆叠。半导体衬底1402和虚拟晶片1406可使用临时晶片键合过程来接合。在键合之后，半导体衬底1402可被减薄到几微米。IR传感器的半导体衬底(例如，硅衬底)1408可根据BSI过程来形成，其中其正面与像素处理芯片(例如，逻辑晶片1410)的正面一起堆叠。半导体衬底1408和逻辑晶片1410可使用晶片键合过程来接合。在键合之后，半导体衬底1408可被减薄到几微米，并且在一些情况下，可在半导体衬底1408中形成TSV。然后可在IR传感器的背面上沉积可见光阻挡滤光器1412和衍射透镜结构1414并使其图案化。接下来，具有像素处理芯片和其他结构的IR传感器可通过以下方式与RGB光传感器堆叠：通过翻转RGB光传感器并将其晶片键合到具有像素处理芯片和其他结构的IR传感器。然后可移除虚拟晶片1406。TSV1416可形成为穿过RGB光传感器的半导体衬底1402、IR传感器的半导体衬底1408和其他结构，以将半导体衬底1402的金属连接到逻辑晶片1410的金属。此后，光敏材料1418(例如，QF或有机材料)可沉积在RGB光传感器的半导体衬底1402上，并且滤色器和微透镜可沉积在光敏材料1418上。
图14B和图14C示出了用于形成不同电路(例如，像素电路)与图14A所示结构的光敏层之间的互连的示例性过程1420、1430。具体地讲，图14B和图14C示出了用于形成全局TSV(即，RGB/IR像素阵列之外的TSV)和局部TSV(即，RGB/IR像素阵列内的TSV)的示例性过程1420、1430。如果需要，全局TSV可具有比局部TSV更大的大小，但局部TSV可更小，以实现更好的IR透射率和像素性能。作为TSV的替代，不同电路与光敏层之间的互连可以是作为晶片键合过程的一部分而形成的Cu-Cu连接，或者Cu-Cu连接可用于将TSV和/或TSV接合到其他电触点。
在图14B中，全局TSV 1422形成为一级TSV(其中TSV 1422通过两层硅进行蚀刻和填充)以将RGB光传感器的像素电路连接到逻辑晶片1410，而局部TSV 1424则形成为两级TSV，其中局部TSV 1424的一个级1424a在RGB光传感器被堆叠在半导体衬底1408上之前穿过IR传感器的半导体衬底1408形成，并且其中局部TSV 1424的另一个级1424b在RGB光传感器已堆叠在IR传感器上之后穿过RGB光传感器的半导体衬底1402形成。在图14C中，全局TSV1422和局部TSV 1424均形成为两级TSV。
图15A示出了参考图14A所描述的过程的修改(和简化)。以举例的方式，当RGB光传感器采用硅基光电探测器阵列时，过程1500可用于将RGB光传感器堆叠在IR传感器上。
如图所示，IR传感器的半导体衬底1408可被堆叠在逻辑晶片上，如参考图14A所述。然而，RGB光传感器的半导体衬底1502可根据BSI过程来形成。半导体衬底1502可被堆叠在IR传感器上，其中其正面1504面向IR传感器，并且不使用虚拟晶片。然后可减薄RGB光传感器的半导体衬底1502，并且可在半导体衬底1502上形成BSI光电探测器阵列1506。例如，如参考图15B所述，可在叠层中形成TSV。
图15B示出了用于形成不同电路(例如，像素电路)与图15A所示结构的光敏元件之间的互连的示例性过程1510。以举例的方式，图15B示出了用于形成全局TSV 1512和局部TSV 1514的组合的示例性过程1510。全局TSV 1512和局部TSV 1514可形成为两级TSV，如参考图14C所述。在IR传感器的半导体衬底1408已与逻辑晶片1410堆叠并减薄之后，可形成全局TSV 1512和局部TSV 1514的第一级1512a、1514a，以将半导体衬底1408的背面金属连接到半导体衬底1408的正面金属，并且连接到逻辑晶片1410的金属。在将可见光阻挡滤光器1412和衍射透镜结构1414沉积在IR传感器的背面上并且使其图案化之后，可形成全局TSV1512和局部TSV 1514的第二级1512b、1514b，以将TSV 1512、1514延伸到叠层的新顶表面。然后可将RGB光传感器的半导体衬底1402堆叠在包含IR传感器的叠层上，其中半导体衬底上的电触点1516电耦合到TSV 1512、1514。
图16A和图16B示出了波长更长的光敏材料1602可如何沉积在IR传感器的半导体衬底1604上的示例。当堆叠式电磁辐射传感器的顶部处的可见光传感器使用硅基光电探测器阵列时，IR传感器的此类构造可能尤其有用。例如，由于硅对宽范围的电磁辐射波长敏感，所以通过将光敏材料1602沉积在IR传感器上，可将IR传感器的灵敏度调节成在硅的灵敏度范围之外，该光敏材料1602吸收在硅的灵敏度范围之外(并且因此在具有硅基光电探测器阵列的可见光传感器的灵敏度范围之外)的一定范围的较长电磁辐射波长。
在一些示例中，图16A和图16B所示的光敏材料1602可以是QF或有机材料，如参考图4A至图5B所述。在其他示例中，可使用其他材料。例如，IR传感器可被配置为当光敏材料1602是具有高吸收系数的直接带隙半导体材料时检测短波红外(SWIR)波段内的电磁辐射波长(即，1.1μm至3μm电磁辐射波长)，该直接带隙半导体材料包括但不限于IV族材料，比如Si/SiGe；III-V族材料，包括InGaAs/InP、AlGaAs/GaAs；或II-VI族材料，包括CdTe/HgTe。这些材料与半导体衬底1604中的CMOS像素电路的集成可通过各种方法来提供，包括但不限于硅上外延、按像素混合键合、CMOS上的再生长以及复合半导体的溶液沉积。光敏材料1602还可以是或另选地是具有高α、良好迁移率和与硅的低温集成的材料，诸如Sb2Se(3-x)Te(x)，其中x＝0具有～1.2eV的直接带隙，并且x>0会将带隙调谐至较低能量。
前述光敏材料1602可按像素(例如，通过涂覆各个像素)或作为包层(即，通过涂覆所有像素)来沉积在半导体衬底1604(例如，BSI晶片)上，如图16A(按像素)或图16B(作为包层)所示。
将IR传感器的光谱灵敏度扩展到更长波长以及将IR传感器的IR陷波光谱带定位成超出硅基光电探测器的灵敏度会允许将硅基光电探测器(例如，标准BSI硅像素阵列)用于可见光传感器。由于硅基像素电路执行CDS读出(并且减轻或消除kTC噪声)的固有能力，所以这可简化可见光传感器设计。另外，可见光传感器可受益于钉扎硅基光电二极管的低暗电流，以及成熟的BSI硅传感器制造技术。
图17A和图17B示出了可包括本文所述的堆叠式或非堆叠式电磁辐射传感器中的任何一者或多者的示例性设备1700。设备的尺寸和形状因数(包括其长边的长度与其短边的长度的比率)表明设备1700是移动电话(例如，智能电话)。然而，设备的尺寸和形状因数是任意选择的，并且设备1700可另选地是任何便携式电子设备，包括例如移动电话、平板电脑、便携式计算机、便携式音乐播放器、电子手表、健康监视器设备、便携式终端、车辆导航系统、机器人导航系统或其他便携式或移动设备。设备1700还可以是半永久地位于(或安装在)单个位置的设备。图17A示出了设备1700的前等轴视图，并且图17B示出了设备1700的后等轴视图。设备1700可包括至少部分地围绕显示器1704的外壳1702。外壳1702可包括或支撑前盖1706或后盖1708。前盖1706可定位在显示器1704上方，并且可提供窗口，通过该窗口可观看显示器1704。在一些实施方案中，显示器1704可附接到(或邻接)外壳1702和/或前盖1706。在设备1700的另选的实施方案中，可不包括显示器1704并且/或者外壳1702可具有另选的配置。
显示器1704可包括一个或多个发光元件，包括例如发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、液晶显示器(LCD)、电致发光(EL)显示器或其他类型的发光元件。在一些实施方案中，显示器1704可包括一个或多个触摸传感器和/或力传感器，或与之相关联，该触摸传感器和/或力传感器被配置为检测施加到前盖1706的表面的触摸和/或力。
外壳1702的各种部件可由相同或不同的材料形成。例如，侧壁1718可使用一种或多种金属(例如，不锈钢)、聚合物(例如，塑料)、陶瓷或复合材料(例如，碳纤维)形成。在一些情况下，侧壁1718可以是包括一组天线的多段侧壁。天线可形成侧壁1718的结构部件。天线可通过侧壁1718的一个或多个非导电段在结构上联接(彼此或与其他部件联接)并且电隔离(彼此或与其他部件电隔离)。可例如使用玻璃、晶体(例如，蓝宝石)或透明聚合物(例如，塑料)中的一者或多者来形成前盖1706，该玻璃、晶体或透明聚合物中的一者或多者使得用户能够通过前盖1706观看显示器1704。在一些情况下，前盖1706的一部分(例如，前盖1706的外围部分)可涂覆有不透明油墨，以遮盖外壳1702内所包括的部件。后盖1708可使用与用于形成侧壁1718或前盖1706的材料相同的材料形成。在一些情况下，后盖1708可以是也形成侧壁1718的整体式元件的一部分(或者在侧壁1718是多段侧壁的情况下，侧壁1718的那些部分是非导电的)。在其他实施方案中，外壳1702的所有外部部件可由透明材料形成，并且设备1700内的部件可被外壳1702内的不透明油墨或不透明结构遮盖或不遮盖。
前盖1706可被安装到侧壁1718以覆盖由侧壁1718限定的开口(即，进入内部体积的开口，该内部体积中可定位设备1700的各种电子部件(包括显示器1704))。可使用紧固件、粘合剂、密封件、垫圈或其他部件将前盖1706安装到侧壁1718。
包括显示器1704的显示器叠层或设备叠层(以下称为“叠层”)可附接(或邻接)到前盖1706的内表面并且延伸到设备1700的内部体积中。在一些情况下，叠层可以包括触摸传感器(例如，电容、电阻、基于应变的、超声或其他类型的触摸感测元件的网格)或光学、机械、电气或其他类型的部件的其他层。在一些情况下，触摸传感器(或触摸传感器系统的一部分)可被配置为检测施加到前盖1706的外表面(例如，到设备1700的显示表面)的触摸。
在一些情况下，可将力传感器(或力传感器系统的一部分)定位在显示器1704下方和/或侧面的内部体积内(并且在一些情况下，在设备叠层内)。可响应于触摸传感器检测到前盖1706上的一个或多个触摸(或者前盖1706上一个或多个触摸的一个或多个位置)来触发力传感器(或力传感器系统)，并且可确定与每个触摸相关联的力的大小，或与整个触摸集合相关联的力的大小。
如图17A主要所示，设备1700可包括各种其他部件。例如，设备1700的前部可包括一个或多个前向相机1710(包括一个或多个图像传感器)、扬声器1712、麦克风或被配置为向设备1700发送信号或从该设备接收信号的其他部件1714(例如，音频部件、成像部件和/或感测部件)。在一些情况下，单独或与其他传感器组合，前向相机1710可被配置为作为生物认证或面部识别传感器来操作。设备1700还可包括各种输入设备，包括可从设备1700的前表面(或显示表面)访问的机械或虚拟按钮1716。
设备1700还可包括沿着设备1700的侧壁1718和/或在其后表面上定位的按钮或其他输入设备。例如，音量按钮或多功能按钮1720可沿侧壁1718定位，并且在一些情况下可延伸穿过侧壁1718中的孔。侧壁1718可包括允许空气但不是液体流入和流出设备1700的一个或多个端口1722。在一些实施方案中，一个或多个传感器可定位在端口1722中或附近。例如，环境压力传感器、环境温度传感器、内部/外部差压传感器、气体传感器、颗粒物浓度传感器或空气质量传感器可定位在其中一个端口1722中或附近。
在一些实施方案中，设备1700的后表面可包括后向相机1724(包括一个或多个图像传感器；参见图1B)。闪光灯或光源1726(并且在一些情况下为IR照明器)也可沿着设备1700的后部定位(例如，靠近后向相机)。在一些实施方案中，IR照明器也可或另选地被定位成与前向相机1710相邻。在一些情况下，设备1700的后表面可包括多个后向相机。
前向相机1710或后向相机1724中的一者或多者可包括如本文所述的堆叠式或非堆叠式电磁辐射传感器。如果设备1700另选地被配置为车辆导航系统或一些其他类型的设备(并且可能被配置为没有显示器的设备)，则设备1700仍然可具有包括如本文所述的堆叠式或非堆叠式电磁辐射传感器的至少一个相机。
图18示出了图像捕获设备(例如，相机1800)的示例性实施方案，该图像捕获设备包括图像传感器1802、可选双带光谱滤光器1808、透镜(或透镜叠层)1804和AF机构1806。在一些实施方案中，图18所示的部件可与参考图17A和图17B所描述的前向相机或后向相机相关联，或与本文所述的任何堆叠式或非堆叠式电磁辐射传感器相关联。
在一些情况下，图像传感器1802可包括具有多个像素的非堆叠式电磁辐射传感器，诸如以二维阵列布置的多个像素。在一些情况下，像素中的多个(或全部)像素可各自包括子像素的二维阵列(例如，子像素的2x2阵列)，其中每个子像素包括光电探测器。使大部分(或更显著地为至少80％，并且优选地为全部)像素被配置为包括2×2子像素阵列可有助于改善相位检测自动聚焦(PDAF)性能并且/或者减少或消除相对于其他像素的输出校正具有PDAF能力的像素的输出的需要。与像素相关联的子像素(或光电探测器)可彼此电隔离，但设置在像素的共享微透镜下方。
图像传感器1802可另选地包括堆叠式电磁辐射传感器，其中叠层的每个电磁辐射传感器具有像素阵列。不同像素阵列可具有等量或不等量的像素。例如，图像传感器1802的IR传感器部分可具有跨越图像传感器1802的可见光传感器部分的多个像素的像素，该可见光传感器部分堆叠在IR传感器部分之上。
双带光谱滤光器1808(当存在时)可仅通过一定范围的可见光波长和一定范围的IR波长，这些范围精确地或基本上对应于由图像传感器1802的传感器感测到的电磁辐射波长范围。
透镜1804可能够相对于图像传感器1802调节，以将场景1810的图像聚焦在图像传感器1802上。在一些实施方案中，透镜1804可相对于图像传感器1802移动(例如，移动以改变透镜1804与图像传感器1802之间的距离，移动以改变透镜1804的平面与图像传感器1802的平面之间的角度等)。在其他实施方案中，图像传感器1802可相对于透镜1804移动。
在一些实施方案中，AF机构1806可包括处理器(或AF机构1806的功能可由处理器提供)。AF机构1806可从图像传感器1802接收信号，并且响应于这些信号而调节相机1800的焦点设置。在一些实施方案中，信号可包括PDAF信息。该PDAF信息可包括水平相位检测信号和/或垂直相位检测信号。响应于PDAF信息(例如，响应于从PDAF信息识别的离焦条件)，AF机构1806可通过例如调节图像传感器1802与透镜1804之间的关系(例如，通过调节透镜1804或图像传感器1802的物理位置)来调节相机1800的焦点设置。
图19示出了包括使用雪崩二极管(例如，SPAD)的检测器1904的示例性系统1900。系统1900可包括发射器1902和检测器1904，该发射器和检测器定位成彼此紧邻，并且与目标1906相对较远(与发射器1902和检测器1904之间的距离相比)。在一些实施方案中，发射器1902和检测器1904可作为单个模块提供。发射器1902可被定位成朝向目标1906发射光子或将其发射到FoV中，并且检测器1904可被定位成检测光子从目标1906的反射。在一些实施方案中，发射器1902可包括IR照明器，并且检测器1904可包括本文所述的任何堆叠式或非堆叠式电磁辐射传感器。
处理器1908可能够操作地连接到发射器1902和检测器1904，并且可使得发射器1092朝向目标1906发射光子(其中所发射的光子由箭头1910表示)。从目标1906朝向检测器1904(由箭头1912表示)反射的光子可由检测器1904检测。具体地讲，反射光子可在检测器1904的各个像素中引起雪崩事件，并且可记录此类雪崩事件的定时并将其与光子被发射的时间进行比较。处理器1908可接收由检测器1904输出的信号(例如，雪崩事件的时间)，并且在一些情况下可从发射器1902接收光子发射时间，并且可确定由发射器1902发射并由检测器1904的像素接收的光子的ToF。ToF可用于确定检测器1904和目标1906的各个像素之间的距离。这些距离可用于生成深度图(例如，目标1906的三维(3D)图像)。
所描述的部件和系统1900的操作是示例性的。在另选的实施方案中，系统1900可包括部件的不同组合或配置，或者可执行附加或另选的功能。
系统1900可用作电子设备的一部分，诸如在智能电话内的图像传感器中(例如，在智能电话的相机或生物传感器(例如，面部识别传感器)内的图像传感器中)；在车辆导航系统中；或在其他设备中。
图20示出了可如何融合由电磁辐射传感器(例如，可见光传感器或IR传感器)采集的多个图像(或图像帧2000)以形成单个静止图像2002。在一些实施方案中，可融合视频流内的图像帧，以用于减轻可见光传感器的全色光敏层的较高暗电流。
图21示出了电子设备2100的样本电气框图，该电子设备可以是参考图17A至图17B、图18或图19所描述的电子设备。电子设备2100可包括显示器2102(例如，发光显示器)、处理器2104、电源2106、存储器2108或存储设备、传感器系统2110或输入/输出(I/O)机构2112(例如，输入/输出设备和/或输入/输出端口)。处理器2104可控制电子设备2100的一些或所有操作。处理器2104可直接或间接与电子设备2100的基本上所有的部件进行通信。例如，系统总线或其他通信机构2114可提供处理器2104、电源2106、存储器2108、传感器系统2110和/或I/O机构2112之间的通信。
处理器2104可被实现为能够处理、接收或发送数据或指令的任何电子设备。例如，处理器2104可以是微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)或此类设备的组合。如本文所述，术语“处理器”意在涵盖单个处理器或处理单元、多个处理器、多个处理单元或一个或多个其他适当配置的计算元件。
应当指出的是，电子设备2100的部件可由多个处理器控制。例如，电子设备2100的选择部件可由第一处理器控制，并且电子设备2100的其他部件可由第二处理器控制，其中第一处理器和第二处理器可以或不可以彼此通信。在一些实施方案中，处理器2104可包括本文所述的像素处理芯片或图像处理器中的任一者。
电源2106可用能够向电子设备2100提供能量的任何设备来实现。例如，电源2106可以是一个或多个电池或可再充电电池。除此之外或另选地，电源2106可以是将电子设备2100连接到另一个电源诸如壁装插座的电源连接器或电源线。
存储器2108可存储可由电子设备2100使用的电数据。例如，存储器2108可存储电数据或内容，诸如，例如音频和视频文件、文档和应用程序、设备设置和用户偏好、定时信号、控制信号、数据结构或数据库、图像数据、或焦点设置。存储器2108可被配置为任何类型的存储器。仅以举例的方式，存储器2108可被实现为随机存取存储器、只读存储器、闪存存储器、可移动存储器、其他类型的存储元件或此类设备的组合。
电子设备2100还可包括传感器系统2110，该传感器系统继而包括基本上定位在电子设备2100上的任何地方的一个或多个传感器。传感器可被配置为基本上感测任何类型的特性，诸如但不限于压力、光、触摸、热、移动、相对运动、生物特征数据等。例如，传感器可包括热传感器、位置传感器、光或光学传感器、加速度计、压力换能器、陀螺仪、磁力仪、健康监测传感器等。此外，一个或多个传感器可利用任何适当的感测技术，包括但不限于电容、超声波、电阻、光学、超声、压电和热感测技术。
I/O机构2112可从用户或另一个电子设备发送和/或接收数据。I/O设备可包括显示器、触摸感测输入表面(诸如触控板)、一个或多个按钮(例如，图形用户界面“home”按钮)、一个或多个相机(例如，参考图17A至图17B、图18或图19所描述的相机，或者包括本文所述的堆叠式或非堆叠式电磁辐射传感器中的一者或多者的相机)、一个或多个麦克风或扬声器、一个或多个端口(诸如麦克风端口)和/或键盘。除此之外或另选地，I/O设备或端口可以经由通信网络诸如无线和/或有线网络连接发送电信号。无线和有线网络连接的示例包括但不限于蜂窝网络、Wi-Fi、蓝牙、IR和以太网连接。
上述描述为了进行解释使用了特定命名来提供对所述实施方案的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，在阅读本说明书之后，不需要具体细节即可实践所述实施方案。因此，出于例示和描述的目的，呈现了对本文所述的具体实施方案的前述描述。它们并非旨在是穷举性的或将实施方案限制到所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，在阅读本说明书之后，鉴于上面的教导内容，许多修改和变型是可能的。

Claims (57)

1.一种传感器叠层，所述传感器叠层包括：
第一电磁辐射传感器，所述第一电磁辐射传感器具有用于将第一电磁辐射波长范围转换成第一组电信号的高量子效率；和
第二电磁辐射传感器，所述第二电磁辐射传感器位于所述第一电磁辐射传感器的视场中并且具有：
用于将第二电磁辐射波长范围转换成第二组电信号的高量子效率；和
用于将所述第一电磁辐射波长范围转换成所述第二组电信号的低量子效率；其中：
所述第一电磁辐射波长范围不与所述第二电磁辐射波长范围重叠；并且
所述第二电磁辐射传感器至少部分地透射所述第一电磁辐射波长范围。
2.根据权利要求1所述的传感器叠层，其中：
所述第一电磁辐射传感器或所述第二电磁辐射传感器中的至少一者包括：
半导体衬底，所述半导体衬底包括用于像素阵列的像素电路；
光敏材料，所述光敏材料沉积在所述半导体衬底上；和
用于所述像素阵列的所述像素电路与所述光敏材料之间的电连接阵列。
3.根据权利要求2所述的传感器叠层，其中所述光敏材料包括量子点膜。
4.根据权利要求2所述的传感器叠层，其中所述光敏材料包括有机材料。
5.根据权利要求2所述的传感器叠层，其中所述光敏材料包括Sb2Se(3-x)Te(x)，其中x≥0。
6.根据权利要求2所述的传感器叠层，其中所述半导体衬底是硅衬底。
7.根据权利要求2所述的传感器叠层，其中所述电连接阵列中的电连接包括：
异质结光电二极管，所述异质结光电二极管形成于所述半导体衬底与所述光敏材料之间。
8.根据权利要求2所述的传感器叠层，其中所述半导体衬底、所述光敏材料和所述电连接阵列是所述第一电磁辐射传感器的一部分。
9.根据权利要求8所述的传感器叠层，其中所述第一电磁辐射传感器是红外(IR)传感器。
10.根据权利要求9所述的传感器叠层，其中所述IR传感器是IR图像传感器。
11.根据权利要求9所述的传感器叠层，其中所述IR传感器是IR深度传感器。
12.根据权利要求9所述的传感器叠层，其中所述第二电磁辐射传感器是可见光传感器。
13.根据权利要求12所述的传感器叠层，其中：
所述半导体衬底是第一半导体衬底；
用于所述像素阵列的所述像素电路是用于第一IR像素阵列的第一像素电路；
所述光敏材料包括第一光敏材料；
所述电连接阵列是第一电连接阵列；并且
所述可见光传感器包括：
第二半导体衬底，所述第二半导体衬底包括用于第二可见光像素阵列的第二像素电路；
第二光敏材料，所述第二光敏材料沉积在所述第二半导体衬底上；和
用于所述第二可见光像素阵列的所述第二像素电路与所述第二光敏材料之间的第二电连接阵列。
14.根据权利要求13所述的传感器叠层，其中：
所述第一光敏材料包括第一量子点膜，所述第一量子点膜具有用于将所述第一电磁辐射波长范围转换成所述第一组电信号的高量子效率；并且
所述第二光敏材料包括第二量子点膜，所述第二量子点膜具有用于将所述第二电磁辐射波长范围转换成所述第二组电信号的高量子效率。
15.根据权利要求13所述的传感器叠层，其中所述第二电连接阵列中的电连接包括：
第二异质结光电二极管，所述第二异质结光电二极管形成于所述第二半导体衬底与所述第二光敏材料之间。
16.根据权利要求12所述的传感器叠层，其中：
所述半导体衬底是第一半导体衬底；
用于所述像素阵列的所述像素电路是用于第一IR像素阵列的第一像素电路；并且
所述可见光传感器包括：
第二半导体衬底，所述第二半导体衬底包括：
用于第二可见光像素阵列的第二像素电路；和
对应于所述可见光像素阵列的光电二极管阵列。
17.根据权利要求2所述的传感器叠层，其中所述半导体衬底、所述光敏材料和所述电连接阵列是所述第二电磁辐射传感器的一部分。
18.根据权利要求17所述的传感器叠层，其中所述第二电磁辐射传感器是可见光传感器。
19.根据权利要求18所述的传感器叠层，其中所述第一电磁辐射传感器是红外(IR)传感器。
20.根据权利要求19所述的传感器叠层，其中：
所述半导体衬底是第一半导体衬底；
用于所述像素阵列的所述像素电路是用于第一可见光像素阵列的第一像素电路；并且
所述IR传感器包括：
第二半导体衬底，所述第二半导体衬底包括：
用于第二IR像素阵列的第二像素电路；和
对应于所述第二IR像素阵列的光电二极管阵列。
21.根据权利要求20所述的传感器叠层，其中所述光敏材料包括量子点膜，所述量子点膜具有用于将所述第二电磁辐射波长范围转换成所述第二组电信号的高量子效率。
22.根据权利要求19所述的传感器叠层，所述传感器叠层还包括：
可见光阻挡滤光器，所述可见光阻挡滤光器设置在所述第一电磁辐射传感器与所述第二电磁辐射传感器之间。
23.根据权利要求19所述的传感器叠层，所述电连接阵列至少部分地透射所述第一电磁辐射波长范围。
24.根据权利要求19所述的传感器叠层，其中包括所述像素电路的所述半导体衬底为大约一微米。
25.根据权利要求19所述的传感器叠层，所述传感器叠层还包括：
像素处理芯片，其中所述像素处理芯片定位在所述第一电磁辐射传感器的第一电磁辐射接收表面下方和所述第二电磁辐射传感器的第二电磁辐射接收表面下方；其中：
所述像素电路通过延伸穿过所述第一电磁辐射传感器的一组直通硅通孔(TSV)电连接到所述像素处理芯片。
26.根据权利要求19所述的传感器叠层，其中所述IR传感器是IR图像传感器。
27.根据权利要求19所述的传感器叠层，其中所述IR传感器是IR深度传感器。
28.根据权利要求2所述的传感器叠层，其中所述像素电路包括：
像素内降噪电路，所述像素内降噪电路包括p沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管。
29.根据权利要求2所述的传感器叠层，其中所述像素电路包括：
像素列降噪电路。
30.根据权利要求2所述的传感器叠层，其中所述像素电路包括：
列内降噪电路。
31.根据权利要求1所述的传感器叠层，所述传感器叠层还包括：
像素处理芯片，其中所述像素处理芯片定位在所述第一电磁辐射传感器的第一电磁辐射接收表面下方和所述第二电磁辐射传感器的第二电磁辐射接收表面下方。
32.根据权利要求31所述的传感器叠层，所述传感器叠层还包括：
一组电连接，所述组电连接位于所述第一电磁辐射传感器与所述像素处理芯片之间；和
一组直通硅通孔(TSV)，所述组直通硅通孔延伸穿过所述第一电磁辐射传感器并且将所述第二电磁辐射传感器电连接到所述像素处理芯片。
33.根据权利要求32所述的传感器叠层，其中所述组TSV至少部分地透射所述第一电磁辐射波长范围。
34.根据权利要求32所述的传感器叠层，其中所述第一电磁辐射传感器包括第一像素阵列，并且所述第二电磁辐射传感器包括第二像素阵列，所述传感器叠层还包括：
一组不透明总线，所述组不透明总线在所述第一像素阵列的第一像素之间路由并且电耦接到所述组TSV中的TSV；和
一组透明总线，所述组透明总线在所述第一像素阵列的所述第一像素上方路由并且通过所述组不透明总线电连接到所述TSV。
35.根据权利要求2所述的传感器叠层，其中：
所述光敏材料包括量子点膜；并且
所述半导体衬底是p掺杂硅衬底。
36.根据权利要求35所述的传感器叠层，其中所述p掺杂硅衬底包括n阱。
37.根据权利要求36所述的传感器叠层，所述传感器叠层还包括：
异质结，所述异质结形成于所述p掺杂硅衬底与所述量子点膜之间。
38.根据权利要求36所述的传感器叠层，其中所述量子点膜是本征量子点膜。
39.根据权利要求36所述的传感器叠层，其中所述量子点膜是轻掺杂量子点膜，其中所述轻掺杂量子点膜在施加偏压时完全耗尽。
40.根据权利要求37所述的传感器叠层，所述传感器叠层还包括：
钝化层，所述钝化层位于所述p掺杂硅衬底与所述量子点膜之间。
41.根据权利要求37所述的传感器叠层，所述传感器叠层还包括：
电隔离层，所述电隔离层位于所述p掺杂硅衬底与所述量子点膜之间的选定位置中，其中所述电隔离层被配置为在所述p掺杂硅衬底中产生收集节点区。
42.根据权利要求41所述的传感器叠层，其中所述电隔离层包括二氧化硅层。
43.根据权利要求37所述的传感器叠层，所述传感器叠层还包括：
光学黑色材料，所述光学黑色材料位于所述p掺杂硅衬底与所述量子点膜之间的选定位置中，其中所述光学黑色材料被配置为充分地吸收一定范围的预定波长。
44.根据权利要求43所述的传感器叠层，其中所述光学黑色材料包括吸收性聚合物。
45.根据权利要求41所述的传感器叠层，所述传感器叠层还包括：
光学黑色材料，所述光学黑色材料位于所述电隔离层下方的选定位置中，其中所述光学黑色材料被配置为充分地吸收一定范围的预定波长；和
钝化层，所述钝化层位于所述电隔离层上方。
46.根据权利要求37所述的传感器叠层，所述传感器叠层还包括：
异质结，所述异质结形成于所述n阱与所述量子点膜之间。
47.根据权利要求46所述的传感器叠层，其中所述量子点膜是本征量子点膜或轻掺杂的，并且被配置为在偏压下完全耗尽。
48.根据权利要求46所述的传感器叠层，所述传感器叠层还包括：
钝化层，所述钝化层位于所述n阱与所述量子点膜之间。
49.根据权利要求46所述的传感器叠层，所述传感器叠层还包括：
电隔离层，所述电隔离层位于所述n阱与所述量子点膜之间，其中所述电隔离层被配置为在所述p掺杂硅衬底中产生收集节点区。
50.根据权利要求49所述的传感器叠层，其中所述电隔离层包括二氧化硅层。
51.根据权利要求49所述的传感器叠层，所述传感器叠层还包括：
光学黑色材料，所述光学黑色材料位于所述n阱与所述量子点膜之间的选定位置中，其中所述光学黑色材料被配置为充分地吸收一定范围的预定波长。
52.根据权利要求51所述的传感器叠层，其中所述光学黑色材料包括吸收性聚合物。
53.根据权利要求49所述的传感器叠层，所述传感器叠层还包括：
光学黑色材料，所述光学黑色材料位于所述电隔离层下方的选定位置中，其中所述光学黑色材料被配置为充分地吸收一定范围的预定波长；和
钝化层，所述钝化层位于所述电隔离层上方。
54.一种电磁辐射传感器，所述电磁辐射传感器包括：
半导体衬底，所述半导体衬底包括用于像素阵列的像素电路；
光敏材料，所述光敏材料沉积在所述半导体衬底上；和
用于所述像素阵列的所述像素电路与所述光敏材料之间的电连接阵列；其中：
所述电连接阵列中的电连接包括：
异质结光电二极管，所述异质结光电二极管形成于所述半导体衬底与所述光敏材料之间。
55.根据权利要求54所述的电磁辐射传感器，其中所述光敏材料包括量子点膜。
56.根据权利要求54所述的电磁辐射传感器，其中所述光敏材料包括有机材料。
57.根据权利要求54所述的电磁辐射传感器，其中所述半导体衬底是硅衬底。
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