CN116075938A - 光学部件和包括光学部件的图像传感器 - Google Patents
光学部件和包括光学部件的图像传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116075938A CN116075938A CN202180052589.8A CN202180052589A CN116075938A CN 116075938 A CN116075938 A CN 116075938A CN 202180052589 A CN202180052589 A CN 202180052589A CN 116075938 A CN116075938 A CN 116075938A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- dielectric structure
- opening
- optical component
- conductive layer
- width
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 99
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 55
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 55
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 55
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 26
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 19
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 25
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 14
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 13
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/1462—Coatings
- H01L27/14621—Colour filter arrangements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/02—Details
- G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
- G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
- G01J1/0437—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using masks, aperture plates, spatial light modulators, spatial filters, e.g. reflective filters
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/008—Surface plasmon devices
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/20—Filters
- G02B5/28—Interference filters
- G02B5/285—Interference filters comprising deposited thin solid films
- G02B5/288—Interference filters comprising deposited thin solid films comprising at least one thin film resonant cavity, e.g. in bandpass filters
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14636—Interconnect structures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J2001/4446—Type of detector
- G01J2001/446—Photodiode
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J2001/4446—Type of detector
- G01J2001/448—Array [CCD]
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了，在示例性实施方案中，一种光学部件包括电介质结构，该电介质结构具有基本上矩形的横截面以及上表面和下表面。第一导电层设置在该上表面上，其中该第一导电层具有定位成接受入射电磁辐射的第一开口。第二导电层具有定位成例如朝向硅基板中的CMOS传感器像素发射电磁辐射的第二开口。该光学部件的尺寸被配置为针对所选波长的入射辐射提供相长干涉。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年7月30日提交的名称为“OPTICAL COMPONENT AND IMAGESENSOR COMPRISING AN OPTICAL COMPONENT”的欧洲专利申请号EP20305871的优先权，该申请据此全文以引用方式并入。
背景技术
本部分意图向读者介绍本领域的各个方面，这些方面可与下文描述和/或要求保护的本公开的各种方面有关。此讨论被认为有助于向读者提供背景信息，以促进更好地理解本文所述的系统和方法的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应当从这个角度来解读，而不是承认现有技术。
本公开涉及CMOS传感器的领域。一些CMOS传感器基于光电效应来操作，光电效应将入射光子转换成电荷，从而产生电压(使用集成电子器件)，电压依照明强度而变。一些CMOS传感器用于近红外(NIR)波长。此类NIR CMOS传感器已经逐渐获得市场份额并且正在取代可能昂贵且效率较低的传统CCD传感器。CMOS NIR传感器在数码相机中用于在不良照明条件下采集数据(例如，夜间交通管理)。此类传感器还可用于安全应用、个人认证应用和测距应用。
在实践中，图像传感器可使用微透镜来将入射辐射聚焦到装置的光敏部分上，该光敏部分通常是诸如硅的半导体基板。硅具有小的吸收系数，这需要厚的光子吸收层，这继而增加了芯片成本，因为厚基板CMOS传感器的制造使用昂贵的制造设备。
常规CMOS传感器由微透镜和将接收到的光子转换成电子的光敏部分组成。然而，此种光学叠堆不具有仅让以一个波长为中心的有限波段穿过并且到达光电探测器的滤波能力。因此，一些传感器还使用滤色器层。
通过使用诸如衍射光捕获像素、具有六边形横截面的硅纳米线和III-V半导体纳米线的技术，已在文献中提出了波长选择性吸收。此类系统通常需要复杂且昂贵的制造技术。
发明内容
说明书中的“一个实施方案”、“实施方案”、“示例性实施方案”等指示所描述的实施方案可以包含特定特征、结构或特性；但不是每个实施方案必然包括特定特征、结构或特性。而且，此类短语不一定是指相同的实施方案。此外，当结合实施方案描述特定特征、结构或特性时，此类特征、结构或特性可以与其他实施方案结合使用，无论是否明确地描述。
根据一些实施方案的一种光学部件包括：电介质结构，该电介质结构具有至少一个侧表面、上表面和下表面，该至少一个侧表面敞开以接受入射电磁辐射；该上表面上的第一导电层，该第一导电层具有定位成接受入射电磁辐射的第一开口；以及该下表面上的第二导电层，该第二导电层具有定位成发射电磁辐射的第二开口。
在一些实施方案中，该电介质结构的横截面是基本上矩形的。
在一些实施方案中，该第一开口和该第二开口具有基本上相同的宽度。
在一些实施方案中，该第一开口和该第二开口在该电介质结构上基本上居中。
在一些实施方案中，该电介质结构安装在硅基板上，该第二开口定位成将电磁辐射发射到该硅基板中。
一些实施方案还包括位于该电介质结构下面的光电探测器。
在一些实施方案中，该电介质结构具有介于1600nm和1900nm之间的高度h元件和介于1100nm和1400nm之间的宽度d元件。
在一些实施方案中，该电介质结构具有介于900nm和1300nm之间的高度h元件和介于750nm和1050nm之间的宽度d元件。
在一些实施方案中，该第一开口和该第二开口各自具有介于150nm和200nm之间的宽度。
在一些实施方案中，该光学部件被配置为选择性地透射具有波长λinc的入射电磁辐射，其中该电介质结构的高度h元件基本上等于
其中nH是该电介质结构的折射率并且nL是周围介质的折射率。
在一些实施方案中，该光学部件被配置为选择性地透射具有波长λinc的入射电磁辐射，其中该电介质结构的宽度d元件不小于
其中
并且其中nH是该电介质结构的折射率并且nL是周围介质的折射率。
在一些实施方案中，该电介质结构被配置成使得针对所选波长λinc的电磁辐射，通过该第一开口和通过该侧表面进入该电介质结构的波在该第二开口处相长干涉。
根据一些实施方案的一种图像传感器包括如本文所述的这些光学部件的二维阵列。
根据一些实施方案的一种方法包括将电磁辐射引导到光学部件上，其中该光学部件包括：电介质结构，该电介质结构具有至少一个侧表面、上表面和下表面，该至少一个侧表面敞开以接受入射电磁辐射；该上表面上的第一导电层，该第一导电层具有定位成接受入射电磁辐射的第一开口；以及该下表面上的第二导电层，该第二导电层具有定位成发射电磁辐射的第二开口。
在该方法的一些实施方案中，该电介质结构的高度h元件基本上等于
其中nH是该电介质结构的折射率并且nL是周围介质的折射率。
在该方法的一些实施方案中，该电介质结构的宽度d元件不小于
其中
并且其中nH是该电介质结构的折射率并且nL是周围介质的折射率。
一些实施方案还包括操作光电探测器以探测通过该第二开口发射的电磁辐射的量。
在一些实施方案中，一种光学部件包括电介质结构，该电介质结构具有基本上矩形的横截面以及上表面和下表面；该上表面上的第一导电层，该第一导电层具有定位成接受入射电磁辐射的第一开口；以及该下表面上的第二导电层，该第二导电层具有定位成发射电磁辐射的第二开口。
在一些实施方案中，该第一开口和该第二开口各自具有小于该电介质结构的宽度(d元件)的宽度(w)。
在一些实施方案中，该第一开口和该第二开口具有基本上相同的宽度。
在一些实施方案中，该第一开口和该第二开口在该电介质结构上基本上居中。
在一些实施方案中，该光学部件安装在硅基板或光敏材料的其他基板上。
一些实施方案还包括位于该电介质结构下面的光电探测器。该光电探测器可以是CMOS图像传感器的像素。
在一些实施方案中，该电介质结构具有至少一个侧表面，该至少一个侧表面被配置为接受入射电磁辐射。
在一些实施方案中，该电介质结构包括光聚合物。
在一些实施方案中，这些导电层是金属层。
附图说明
图1示出硅基板中的光功率的光谱依赖性，其展示出示例性实施方案的波长选择性(λinc＝939.8nm)光吸收能力。
图2是根据一些实施方案的光学部件单位单元的横截面示意图。
图3A至图3B示出在模拟期间考虑的光致抗蚀剂(图3A)和硅(图3B)的折射率和消光系数的示例性色散特性。
图4是在一些实施方案中针对由平面波照射的两个电介质边缘的情况的模拟功率分布的横截面示意图。
图5A至图5B是由具有导电层的光学元件形成边缘衍射波(图5A)和球面波(图5B)的示意图。
图6A至图6D是示出导电层和其中的开口的位置有变化的光学元件的不同配置的示意性横截面图。
图7A至图7B是示出图6A至图7D的光学元件的硅中光功率的光谱变化的曲线图。
图8是示出根据一些实施方案的光学元件的配置的示意性横截面图。
图9是示出图8的几何配置的硅中光功率的光谱变化的曲线图，其中电介质元件的顶表面和底表面上具有位于导电层中的宽度相等(＝200nm)的开口。
图10是针对λinc＝940nm、针对单位单元宽度d＝2300nm和PEC狭缝宽度w＝400nm、针对h元件和d元件的不同值的硅基板中的模拟光功率的示意性可视化。
图11是示出使用图10的区域I周围的参数的系统在法向入射时的硅中光功率的光谱依赖性的曲线图。
图12是示出针对对应于图10中的区域I的物理参数的不同入射角的硅中光功率的光谱变化的曲线图。
图13是示出尺寸为d＝2050nm、d元件＝690nm、h元件＝1085nm和w＝200nm的单位单元的硅中光功率的模拟光谱变化的曲线图。
图14A至图14C示出根据一些实施方案的光学部件的针对偏谐振波长(图14A和图14C)和谐振波长(图14B)的光功率重新分布。
图15是示出针对不同角度的入射光的硅中光功率的光谱变化的曲线图。
图16是示出在示例性实施方案中依入射角而变的在940nm处的光功率峰的半高全宽的曲线图。
图17是示出针对导电层中的开口的不同宽度w的硅中光功率的光谱变化的曲线图。
图18是示出导电层中的开口的宽度对中心波长的光谱位置的影响的曲线图。
图19是示出导电层中的开口的宽度对对应峰的FWHM的影响的曲线图。
图20A至图20F是根据一些实施方案的示例性光学部件的示意性俯视图。
图21是根据一些实施方案的光学部件单位单元的横截面示意图。
具体实施方式
一些实施方案操作以改善传统硅基板中针对给定入射波长λin对入射光的光学吸收。在一些实施方案中，该入射波长λinc＝940nm。配置用于λinc＝940nm的图像传感器可应用于例如用于在制造/生产场地上进行快速检查的机器视觉相机中。它们还可用于汽车激光雷达或生物识别应用以支持虹膜识别和手指静脉生物识别。然而，本文所述的实施方案不限于任何特定传感器应用。本文中的示例中的一些示例被描述为用于近红外(NIR)辐射。此种辐射和其他电磁辐射在本文中称为"光"，无论它是否对人类可见。
一些实施方案提供的装置设计可选择性地增强在装置的光敏部分中针对所选波长的入射光辐射的浓度，从而增加其光学吸收并且因此增加其灵敏度。其余的入射波长被反射回到入射方向介质中。
一些实施方案为以所选入射波长(例如λinc＝940nm)为中心的波段提供相对高的光电探测，并且为其他波长提供相对低的光电探测。一些实施方案在不使用位于光电探测器顶部上的聚焦微透镜的情况下实现。一些实施方案可用于原本可能利用复杂的多层光谱IR滤光器的应用中。一些实施方案可在没有半导体材料的微结构的情况下实现。
一些实施方案使用周期性单位单元的拓扑设计，该周期性单位单元用于针对一定范围的入射角(例如，θinc＝±5°)针对以所选波长(诸如λinc＝939.8nm)为中心的波段产生发射到下方硅光电探测器中的聚焦光学热点。单位单元可操作以反射其他入射光。在一些实施方案中，波段的半高全宽(FWHM)为约114.5nm，并且中心波长具有与其余入射波长相比至少是1.92倍的光功率。如图1所示，此类实施方案可增加光电探测器中针对该波段的光子产生的电荷载流子的数量，这继而提供了整个系统针对对应波段的增加的灵敏度。
图1示出发射到硅基板中的光功率的光谱依赖性，其展示出示例性实施方案的波长选择性(λinc＝939.8nm)光吸收能力。
在一些实施方案中，通过采用从单位单元元件的不同边缘形成的边缘衍射波并且将它们与球面波组合成使得它们的相长干涉在近场中在期望空间位置处针对固定波长产生强光学热点来实现光谱依赖性。
图2是旨在针对所选入射波长选择性地增强发射到硅基板中的光功率的单位单元的横截面示意图。图2是根据一些实施方案的单位单元200的横截面示意图。单位单元200包括横截面为矩形的电介质元件202。电介质元件202具有折射率nH并且浸入折射率为nL的周围介质(例如空气)中。元件202可由可商购获得的聚合物光致抗蚀剂(诸如Microchem495PMMA)制成。元件202可设置在硅基板204上。硅基板204可包括CMOS传感器或其他光电探测器。
可以是金属层的导电层206和208设置在矩形元件202上方和下方。导电层206和208包括相应的开口210、212。如下文更详细地讨论，可选择开口的宽度以提供对入射光的过滤以主要允许期望波长(例如，λinc＝940nm)到达硅光电探测器。
在本文讨论的模拟中，导电层被视为完美的电导体(PEC)。导电层因此在本文中可称为PEC层，但应理解，在实际实施方案中，导电层可具有小但非零的电阻。此外，使用完全匹配层(PML)边界条件来执行模拟以避免非物理反射效应。
图3A至图3B示出在模拟期间考虑的光致抗蚀剂(图3A)和硅(图3B)的折射率和消光系数的示例性色散特性。
在示例性实施方案中，类似于单元200的多个单位单元在边界条件下以弗洛奎特周期性沿
和
周期性地布置。针对系统的给定材料属性，系统的光学响应受其结构参数影响，这些结构参数诸如单位单元尺寸(d)、元件高度(h元件)、元件宽度(d元件)、开口宽度(w)和入射角(θinc)。
图4是在一些实施方案中针对由平面波照射的两个电介质边缘的情况的功率分布的示意性横截面图。
入射平面波(TE或TM)从分隔两种介质的电介质微结构的边缘的衍射导致高折射率介质中的局部光限制(光学热点)和局部光偏离，这可称为光子纳米射流(PNJ)。该纳米射流是入射电场分量和由于边缘而形成的纵向分量的组合的结果。图4示出组合了源自微结构的对称相反边缘的两个光子纳米射流(PNJ_1和PNJ_2)以形成单个聚焦光学热点(PNJ_1+PNJ_2)的结构的示例。
参照图4，光子纳米射流(PNJ_1或PNJ_2)与垂直方向的角度取决于边缘周围的两个折射率的比，并且可以近似为如下：
由矩形块的边缘产生的两个对称相反光子纳米射流的交叉点可被理解为微透镜，其焦距可使用以下表达式来估计：
其中表示形成组合光子纳米射流的结构的全宽度。针对法向入射的情况，焦点将位于微透镜的对称轴上。电介质块的高度h元件可以被选择为接近临界高度hc，其中
选择接近临界高度hc的高度h元件可有助于增加所产生的光子纳米射流的强度。
电介质块的总宽度可从f≥h元件的条件开始选择，其中f是组合光子纳米射流距产生这些纳米射流的边缘的基部的距离。f可称为光子纳米射流微透镜的焦距。这导致以下表达式：
一些实施方案包括具有开口的导电层，这些开口用于由于衍射而形成基本上球面波，在适当地选择尺寸时，该基本上球面波可在元件的输出处针对固定波长与边缘衍射波相长干涉。
图5A至图5B是边缘衍射波和球面波的组合的示意图，由于边缘衍射波和球面波之间的相长干涉，该组合可导致固定波长处的光功率的增加。图5A至图5B示出可在一些实施方案中采用的电场分布的原理。
图5A示出入射在覆盖有导电层506的电介质元件504上的平面波502。电介质元件504的侧面未被导电层覆盖。这种配置产生朝向电介质元件的中心会聚的衍射边缘波508。
图5B示出入射在覆盖有顶部导电层514的电介质元件512上的平面波510，该顶部导电层中设置有顶部开口516。顶部开口导致球面波518通过元件传播。底部导电层522中的开口520导致附加的球面波524通过基板区域526传播。
示例性实施方案操作以产生边缘波(诸如图5A的波508)连同球面波(诸如图5B的波518)，并且以使得这些波针对期望波长相长干涉的方式组合这些波。
考虑到导电层和元件的侧表面的波反射，由阵列的元件的侧边缘衍射的波与由该元件的顶部上的开口产生的球面波相长干涉。一些实施方案针对λinc＝940nm实现该相长干涉以增加到达下方的硅光电探测器且被吸收的光的量，从而增加其对该波长的吸收能力。
图6A至图6D示出导电层和其中的开口的位置有变化的光学系统的不同配置。
图6A至图6D示出针对固定拓扑使用处于不同配置的具有开口的导电层的功能，该拓扑具有以下物理尺寸：d＝2300nm、d元件＝1350nm、h元件＝1750nm。每种情况的光谱特性呈现在图7A至图7B中。针对没有导电层的系统(图6A)，我们在图7A的曲线702中观察到依入射波长而变的硅中光功率的相对均匀的增加，这对于波长选择性系统来说未必是期望的。接下来，针对仅一个具有开口的导电层的情况，无论是在单位单元元件下方(图6B)还是上方(图6C)，我们仍然没有观察到针对固定入射波长的光功率的实质谐振依赖性，如曲线704(对应于图6B的单元)和曲线706(对应于图6C的单元)中所见。针对图6D的情况，在曲线708中观察到同样缺乏实质谐振，图6D中提供了两个具有开口的导电层，但是其中底部层上的开口跨整个单位单元元件延伸。
图8是具有位于单位单元元件上方和下方的导电层和200nm开口的单位单元的示意性横截面图。该示例展示出针对峰值波长的光功率浓度与其他波长相比增加了约3.5倍。
图9是示出通过模拟确定的图8的实施方案的硅中光功率的光谱变化的曲线图。如图9中所见，在λinc＝940附近的波长处，在近红外区域存在强峰值。
图10是针对λinc＝940nm、针对单位单元宽度d＝2300nm和狭缝宽度w＝400nm、针对h元件和d元件的不同值的硅基板中的光功率的模拟结果的示意图。
通过在COMSOL Multiphysics软件中执行数值模拟来研究参数变化对系统的光学响应的影响。该模拟使用TM偏振平面波，并且通过计算坡印廷矢量(光功率)的大小来测量3μm厚硅基板内的光功率。图10示意性地示出在940nm处针对单位单元宽度的起始值d＝2300nm、针对元件高度h元件和元件宽度d元件的变化的在光功率分布中的峰值区域。两个感兴趣的区域展示出高的硅中光功率，即图中的区域I和区域II。分析区域I的坐标，可以注意到h元件接近元件的临界高度。区域I通常涵盖介于约1600nm和1900nm之间的高度h元件和介于约1100nm和1400nm之间的宽度d元件。区域II通常涵盖介于约900nm和1300nm之间的高度h元件和介于约750nm和1050nm之间的宽度d元件。
图11是示出通过模拟确定的在图10的区域I周围优化的系统在法向入射时的硅中光功率的光谱依赖性的曲线图。在模拟元件中，单元的横向尺寸为2300nm，元件宽度为1350nm，元件高度为1750nm，并且导电层中的开口具有200nm的宽度。
模拟对应于区域I的结构产生了图11所示的光谱分布。与其他波长处的功率相比，以λinc＝939.8nm为中心，硅中光功率有所增加。
图12是示出针对对应于图10中的区域I的物理参数的不同入射角的硅中光功率的光谱变化的曲线图。
图12示出模拟的结果，这些结果针对入射角0°、2°和4°示出入射角变化对硅中光功率的影响。如从图12可看出，硅中光功率强烈地取决于入射角。该影响可被描述为：当入射角偏离法向入射时，峰分裂为两个较小的峰。该影响表明，选择区域I中的物理参数可能导致实施方案在实际应用中使用时较不稳健。
参照图10中的区域II，元件高度h元件和元件宽度d元件的值几乎是区域I中的值的一半。图13示出针对被配置为在以939.8nm为中心的波长范围内进行滤波的区域II周围的一组物理参数的硅中光功率。图13是示出尺寸为d＝2050nm、d元件＝690nm、h元件＝1085nm和w＝200nm的单位单元的实施方案的硅中光功率的模拟光谱变化的曲线图。
图14A至图14C示出在偏谐振波长(图14A中的775nm和图14C中的1044.5nm)和中心谐振波长(图14B中的939.8nm)处的光功率重新分布，其示出源自边缘的波和来自顶部导电层中的开口的球面波的相互作用。图14A示出源自元件的左边缘的边缘波的光学轨迹1402(源自右边缘的边缘波将遵循类似的但对称相反的轨迹，但为了清楚起见，它们未在图中示出)。来自元件的左侧表面和右侧表面的这些边缘波被侧表面反射并且来回反弹并且与源自上导电层中的开口1408的球面波(由轨迹1404、1406示出)干涉。
图14A至图14C中绘制的轮廓线示出边缘波和球面波是同相的并且相长干涉的区域。如图14B中所见，系统的参数可被选择成使得这些波针对期望波长(例如，940nm)在底部导电层中的开口1414处相长干涉以在硅基板1412中产生高的光功率。
图14A至图14C示出导电层对实现谐振的影响，因为它们不仅反射不想要的波以免进入硅光电探测器，而且还由于所产生的纳米射流与球面波的相长干涉而有助于加强位于底部导电层中的开口处的光学热点。可以在导电层的边界处产生等离子表面波。
光的入射角、导电层中的开口的宽度和单位单元宽度的变化也可导致硅中光功率的变化。
图15是示出针对不同角度的入射光的模拟的硅中光功率的曲线图。峰位置和峰强度对0至+5°的入射角有良好的容差。因为模拟结构围绕垂直轴对称，所以系统也可被理解为容许0至-5°的入射。随着入射角增大，谐振峰的宽度减小，这可被理解为底部导电层中的开口的有限宽度的影响。针对0°入射相长干涉的波长的斜入射被阻挡，从而导致峰宽度的该减小。图16将该变化示出为依入射角而变的以939.8nm为中心的峰的半峰全宽(FWHM)的曲线。针对法向入射，FWHM在128nm(大约)处最大，针对5°的入射，FWHM下降到70nm(大约)。
已使用模拟来研究针对单位单元宽度d的不同值的硅中光功率的光谱变化。当单位单元宽度变化时，峰的光谱位置几乎没有变化。单位单元元件的纵横比和导电层中的开口的宽度似乎对光功率具有大得多的影响。
图17是示出针对导电层中的开口的不同宽度w的硅中光功率的光谱变化的曲线图。在图17中，当狭缝宽度改变时，峰值波长和光功率峰的半高全宽的改变是可见的。峰的中心波长相对线性地从针对狭缝宽度50nm的963.9nm减小到对应于狭缝宽度300nm的920nm。
图18是示出导电层中的开口的宽度对中心波长的光谱位置的影响的曲线图。
峰的FWHM从针对开口宽度50nm的21.7nm增加到对应于开口宽度200nm的114.5nm。表1总结了这两个结果。
| PEC狭缝宽度(nm) | FWHM(nm) | 中心波长的光谱位置(nm) |
| 50 | 21.7 | 963.9 |
| 100 | 42.8 | 954.7 |
| 150 | 73.6 | 948.7 |
| 200 | 114.5 | 939.8 |
| 250 | - | 928.1 |
| 300 | - | 919.3 |
表1：针对不同开口宽度的FWHM和中心波长位置。
在一些实施方案中，元件的顶表面和底表面中的狭缝或其他开口的宽度介于150nm和250nm之间。在一些实施方案中，元件的顶表面和底表面中的狭缝或其他开口的宽度介于50nm和300nm之间。
图19是示出导电层中的开口的宽度对对应峰的FWHM的影响的曲线图。
已进行模拟来确定针对导电层开口宽度的不同值和针对940nm入射光的不同入射角的硅中光功率。已发现，针对角度介于-5°和5°之间的入射光，在一些实施方案中可使用约180nm到约230nm的宽度以获得高的硅中光功率。其他实施方案可使用该范围之外的值来实现其他属性。
示例性实施方案提供可与硅光电探测器一起使用的单位单元元件设计。一些实施方案利用边缘衍射波和球面波之间的相长干涉现象来针对以所选波长(诸如λinc＝939.8nm)为中心的波段增加到达硅层的光功率。一些此类实施方案使用2050nm的单位单元宽度d。一些实施方案包括宽度为690nm并且高度基本上等于0.6*hc的光聚合物材料元件，其中hc是临界高度，其中
在一些实施方案中，在光聚合物元件的顶部和底部处设置导电层，并且在导电层中设置宽度为200nm的开口。此类实施方案可以很好地适用于从-5°到+5°的入射波角度。
在不同的实施方案中可选择不同的参数以改变单位单元的光谱行为。参数诸如：h元件、d元件和导电层中开口的宽度w。在一些实施方案中，顶部开口和底部开口具有不同的宽度。改变这些参数可修改相长干涉的空间图案，并且因此修改中心谐振波长。已发现单位单元宽度d对硅中光功率的光谱形式几乎没有影响，并且在光功率中观察到的小的变化可能够归因于由于单位单元的周期性边界条件引起的串扰。
如图20A至图20F中所见，从上面看，不同的实施方案也可具有不同的配置。在图20A至图20F中，阴影部分表示光学元件的由导电层覆盖的部分，而非阴影部分表示导电层中的开口(关于模拟被称为PEC狭缝)。上导电层和下导电层中的开口可具有相同的尺寸、形状和取向，或者它们可具有不同的尺寸、形状和/或取向。圆形、正方形、椭圆形、矩形和其他形状的各种组合可用于光学元件并且用于导电层中的开口。
在一些实施方案中，光学元件的侧面相对于基板具有除90°以外的一个或多个角度。作为示例，图21是根据一些实施方案的单位单元2300的横截面示意图。单位单元2300包括横截面为矩形的元件2302。元件2302可由可商购获得的聚合物光致抗蚀剂(诸如Microchem495 PMMA)制成。元件2302可设置在硅基板2304上。硅基板2304可包括CMOS传感器或其他光电探测器。可以是金属层的导电层2306和2308设置在矩形元件2302上方和下方。导电层2306和2308包括相应的开口2310、2312。在图21的示例中，元件2302的侧表面2314、2316与基板成不同于90°的角度α。在一些实施方案中，α介于80°和100°之间。在一些实施方案中，α介于70°和90°之间。
在一些实施方案中，如本文所述的单位单元按二维阵列布置。在一些实施方案中，光电探测器(例如，CMOS传感器的像素)位于单位单元中的每个单位单元下面。
虽然上述示例主要涉及使用被配置用于近红外光的装置，但其他实施方案被配置用于较长或较短的波长，诸如远红外、可见光或紫外光，或用于电磁波谱的其他部分中的波。此类实施方案可以采用针对其所设计的波长透明的材料。
尽管上文以特定组合描述了特征和元件，但是本领域的普通技术人员将理解，每个特征或元件可单独使用或以与其他特征和元件的任何组合来使用。
Claims (20)
1.一种光学部件，所述光学部件包括：
电介质结构，所述电介质结构具有至少一个侧表面、上表面和下表面，所述至少一个侧表面敞开以接受入射电磁辐射；
所述上表面上的第一导电层，所述第一导电层具有定位成接受入射电磁辐射的第一开口；和
所述下表面上的第二导电层，所述第二导电层具有定位成发射电磁辐射的第二开口。
2.根据权利要求1所述的光学部件，其中所述电介质结构的横截面是基本上矩形的。
3.根据权利要求1或2所述的光学部件，其中所述第一开口和所述第二开口具有基本上相同的宽度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学部件，其中所述第一开口和所述第二开口在所述电介质结构上基本上居中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学部件，其中所述电介质结构安装在硅基板上，所述第二开口定位成将电磁辐射发射到所述硅基板中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学部件，所述光学部件还包括：位于所述电介质结构下面的光电探测器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学部件，其中所述电介质结构具有介于1600nm和1900nm之间的高度h元件和介于1100nm和1400nm之间的宽度d元件。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的光学部件，其中所述电介质结构具有介于900nm和1300nm之间的高度h元件和介于750nm和1050nm之间的宽度d元件。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学部件，其中所述第一开口和所述第二开口各自具有介于150nm和200nm之间的宽度。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学部件，所述光学部件被配置为选择性地透射具有波长λinc的入射电磁辐射，其中所述电介质结构的高度h元件基本上等于
其中nH是所述电介质结构的折射率并且nL是周围介质的折射率。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光学部件，所述光学部件被配置为选择性地透射具有波长λinc的入射电磁辐射，其中所述电介质结构的宽度d元件不小于
其中
并且其中nH是所述电介质结构的折射率并且nL是周围介质的折射率。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光学部件，其中所述电介质结构被配置成使得针对所选波长λinc的电磁辐射，通过所述第一开口和通过所述侧表面进入所述电介质结构的波在所述第二开口处相长干涉。
13.一种图像传感器，所述图像传感器包括根据前述权利要求中任一项所述的光学部件的二维阵列。
14.一种方法，所述方法包括：
将电磁辐射引导到光学部件上，其中所述光学部件包括：
电介质结构，所述电介质结构具有至少一个侧表面、上表面和下表面，所述至少一个侧表面敞开以接受入射电磁辐射；
所述上表面上的第一导电层，所述第一导电层具有定位成接受入射电磁辐射的第一开口；和
所述下表面上的第二导电层，所述第二导电层具有定位成发射电磁辐射的第二开口。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述电介质结构的高度h元件基本上等于
其中nH是所述电介质结构的折射率并且nL是周围介质的折射率。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述电介质结构的宽度d元件不小于
其中
并且其中nH是所述电介质结构的折射率并且nL是周围介质的折射率。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，所述方法还包括：操作光电探测器以探测通过所述第二开口发射的电磁辐射的量。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中所述电介质结构的横截面是基本上矩形的。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其中所述第一开口和所述第二开口具有基本上相同的宽度。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，其中所述电介质结构安装在硅基板上，所述第二开口定位成将电磁辐射发射到所述硅基板中。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP20305871.4 | 2020-07-30 | ||
| EP20305871 | 2020-07-30 | ||
| PCT/EP2021/070613 WO2022023185A1 (en) | 2020-07-30 | 2021-07-22 | Optical component and image sensor comprising an optical component |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116075938A true CN116075938A (zh) | 2023-05-05 |
Family
ID=72046823
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202180052589.8A Pending CN116075938A (zh) | 2020-07-30 | 2021-07-22 | 光学部件和包括光学部件的图像传感器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230290796A1 (zh) |
| EP (1) | EP4189340A1 (zh) |
| CN (1) | CN116075938A (zh) |
| WO (1) | WO2022023185A1 (zh) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103502798A (zh) * | 2011-04-05 | 2014-01-08 | 集成等离子光子学公司 | 集成等离子激元感测装置和设备 |
| EP3333600A1 (en) * | 2016-12-06 | 2018-06-13 | CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA - Recherche et Développement | Tunable optical devices and their methods of manufacturing |
| EP3633437A1 (en) * | 2018-10-01 | 2020-04-08 | InterDigital CE Patent Holdings | Device for near-field focusing and beam forming |
-
2021
- 2021-07-22 US US18/017,257 patent/US20230290796A1/en active Pending
- 2021-07-22 CN CN202180052589.8A patent/CN116075938A/zh active Pending
- 2021-07-22 EP EP21748634.9A patent/EP4189340A1/en active Pending
- 2021-07-22 WO PCT/EP2021/070613 patent/WO2022023185A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20230290796A1 (en) | 2023-09-14 |
| WO2022023185A1 (en) | 2022-02-03 |
| EP4189340A1 (en) | 2023-06-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yokogawa et al. | IR sensitivity enhancement of CMOS Image Sensor with diffractive light trapping pixels | |
| KR101253006B1 (ko) | 광학필터 | |
| US20210215863A1 (en) | Optical module and optical device using same | |
| KR101468369B1 (ko) | 수직 구조 수동형 픽셀 어레이 및 그 제조 방법 | |
| US20140319357A1 (en) | Electromagnetic wave detector and electromagnetic wave detector array | |
| US9680117B2 (en) | Thin film small molecule organic photovoltaic solar cell | |
| US8816358B1 (en) | Plasmonic nanostructures for organic image sensors | |
| US10535701B2 (en) | Plasmonic-nanostructure sensor pixel | |
| KR20100113513A (ko) | 물질 합성물의 광 조절에 대한 서브 파장 구조, 장치 및 방법 | |
| US9368661B2 (en) | Photodetector | |
| CN110140216A (zh) | 包括具有导光装置的至少一个感测单元的图像传感器 | |
| JPH11504763A (ja) | 拡張量子井戸赤外線ホトディテクタ | |
| CN110972505A (zh) | 影像感测器及半导体结构 | |
| US11437531B2 (en) | Photodetector | |
| CN105161564B (zh) | 适用于高光谱成像的波段选择性增强量子阱红外焦平面 | |
| JP6918631B2 (ja) | 光検出素子 | |
| CN102947952A (zh) | 光电转换元件 | |
| US8779483B2 (en) | Spectrally tuned plasmonic light collectors | |
| TW201214719A (en) | Photo detector and integrated circuit | |
| CN116075938A (zh) | 光学部件和包括光学部件的图像传感器 | |
| Wu et al. | Design of a monolithic CMOS image sensor integrated focal plane wire-grid polarizer filter mosaic | |
| WO2019218002A1 (en) | A photodetector | |
| US20230375406A1 (en) | Light sensor and a method for manufacturing a light sensor | |
| Masalkar et al. | Novel diffraction pattern for optical coupling in QWIP | |
| JP2021141264A (ja) | 固体撮像素子および電子機器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |