CN117374084A - 一种图像传感器结构和制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种图像传感器结构和制作方法，图像传感器结构包括衬底、等离子共振层和半导体层，衬底上设置有多个孔；等离子共振层设置于孔的内表面；半导体层与等离子共振层至少有一接触面，并传导等离子共振层克服与半导体层的势垒高度后的电流至读出电路。本发明通过在衬底上设置的多个孔的内表面制作等离子共振层，从而利用表面等离子共振吸收长波光线，等离子共振层的共振表面的电子吸收长波光线的能量，并在克服势垒高度后产生电流，使得图像传感器在长波光线下能正常检测以得到所需的图像。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，特别是涉及一种图像传感器结构和制作方法。
背景技术
随着技术的发展，计算设备被逐渐地应用于现代社会的各个层面，并对现代社会的发展做出了巨大的贡献，其包括但不限于数码相机，摄像机，智能手机，导航系统等。特别地，近年来，数码相机等具有采集图像功能的设备变得越来越流行，且对其成像品质要求越来越高。
现有的图像传感器常采用硅光电二级管驱动像素阵列，以用于光信号转换为电信号。然而，光电二极管常使用硅(Si)作为材料，感光光谱范围可从近紫外的350nm到近红外的1100nm，从而在光线为长波时，光电二级管的驱动较弱或者无法正常驱动，使图像传感器无法生成所需的图像。
发明内容
本发明的目的是提供一种图像传感器结构和制作方法，解决图像传感器在长波光下无法检测得到所需图像的问题。
本发明提供一种图像传感器结构，所述图像传感器结构包括衬底、等离子共振层和半导体层。所述衬底上设置有多个孔；所述等离子共振层设置于所述孔的内表面；所述半导体层与所述等离子共振层至少有一接触面，并传导所述等离子共振层克服与所述半导体层的势垒高度后的电流至读出电路。
其中一实施例中，所述衬底与所述半导体层一体成型，且所述衬底为n型硅衬底。
其中一实施例中，所述半导体层为N型掺杂硅，所述衬底为硅衬底。
其中一实施例中，所述半导体层设置于所述孔的内表面与所述等离子共振层之间。
其中一实施例中，所述半导体层设置于所述孔的底面与所述等离子共振层之间。
其中一实施例中，所述半导体层设置于所述衬底的上表面。
其中一实施例中，所述图像传感器结构包括保护层和滤波层，所述保护层位于所述等离子共振层的上方，所述滤波层位于所述保护层上方。
其中一实施例中，多个所述孔对应的多个所述等离子共振层在所述孔的上表面相互连通。
其中一实施例中，所述孔具有小于所述等离子共振层所接收的光的波长的孔径大小。
其中一实施例中，所述等离子共振层的材质为锡、钽、铜、金中的一种或其中几种的组合。
本发明还提供上述图像传感器结构的制作方法，包括：提供衬底；在所述衬底上刻蚀形成多个孔；在所述衬底上形成半导体层；在所述孔的内表面沉积等离子共振层，所述半导体层与所述等离子共振层至少有一接触面。
上述的图像传感器结构和制作方法，可以通过在衬底上设置的多个孔的内表面制作等离子共振层，从而利用表面等离子共振吸收长波光线，等离子共振层的共振表面的电子吸收长波光线的能量，并在克服势垒高度后产生电流，使得图像传感器在长波光线下能正常检测以得到所需的图像。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明一实施例的图像传感器结构的俯视结构示意图。
图2为本发明一实施例的图像传感器结构的剖视图。
图3为本发明一实施例的图像传感器结构的工作示意图。
图4为本发明一实施例的图像传感器结构的剖视图。
图5为本发明一实施例的图像传感器结构的剖视图。
图6为本发明一实施例的图像传感器结构的剖视图。
图7为本发明一实施例的图像传感器结构的俯视结构示意图。
图8为本发明一实施例的图像传感器结构的剖视图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图1为本发明一实施例的图像传感器结构的俯视结构示意图。本实施例的图像传感器结构包括衬底110、等离子共振层130和半导体层(图1未示出)。衬底上设置有多个孔；等离子共振层设置于孔的内表面；半导体层与等离子共振层至少有一接触面，并传导等离子共振层克服与半导体层的势垒高度后的电流至读出电路。本实施例并不限制等离子共振层130和半导体层至少有一接触面为一特定结构，包括但不限于如图2、图4、图5和图6中的图像传感器结构中的实施方式。
在现有技术中，常规厚度的硅衬底难以吸收长波长的光线，因此一些对长波长有反应的例如水、油、病毒等物质无法在最终成像中体现，目前为了获得更高的吸收，需要将硅衬底的厚度加厚，但硅衬底的厚度会影响CMOS图像传感器的性能，也不利于芯片小型化，而对于具有长波长光线吸收特性的GaAs难以集成，且制作成本也远高于硅。
为实现良好的图像功能，图像传感器的衬底上设置有成千上万像素形成的像素阵列，在本申请实施例，通过在衬底上设置孔并将等离子共振层沉积于孔表面，即在排列有像素阵列的衬底上设置等离子共振层，可解决现有图像传感器无法吸收长波长光线的技术问题，同时，本申请实施例的结构简单，成本低廉。
图2为本发明一实施例的图像传感器结构的剖视图。
在一实施例中，如图2所示，衬底210与半导体层220一体成型，且衬底210为n型硅衬底。在工艺制备衬底阶段，将衬底210制成n型硅衬底，并同时可制成半导体层220，实现衬底210与半导体层220一体成型。等离子共振层230设置于该衬底设置的多个孔的内表面时，可看作在半导体层220开设多个孔，等离子共振层230设置于该半导体层220的多个孔的内表面，则孔的内表面是等离子共振层230与半导体层220之间的接触面。从而，半导体层220与等离子共振层230至少有一接触面，半导体层220与等离子共振层230在接触面构成类似肖特基二级管的肖特基接触，从而形成势垒高度。
图3为本发明一实施例的图像传感器结构的工作示意图，本实施例的图像传感器结构的工作过程如下。本实施例中，等离子共振层330设置于衬底310预先设置的多个孔的内表面上方，则等离子共振层330可起到共振金属天线的效果，可用于表面等离子共振吸收长波光线。在长波光线进入等离子共振层330形成的半密闭的空间时，该等离子共振层330在该空间的侧面和底面的两部分表面均可用于发生表面等离子共振，能较容易将长波光线的光子能量传递给等离子共振层330的共振表面的电子，使得电子的能量增大。而等离子共振层330与半导体320之间至少有一接触面，则半导体层320与等离子共振层330在接触面构成类似肖特基二级管的肖特基接触，从而形成势垒高度。当等离子共振层330的共振表面的电子吸收长波光线的能量增大到能克服势垒高度时，等离子共振层330的共振表面的电子可移动至半导体层320，最终产生电流，该电流可发送至与半导体层320电性相连的读出电路340，以用于生成图像。
本发明实施例的图像传感器结构，并不限制衬底设置的多个孔的形状，可以为圆形孔，矩形孔、梯形孔或其他多边形孔等形状。这些孔可以在衬底上呈阵列排布或非阵列排布，每个孔的尺寸和形状可以是相同的或与其他的孔不同，满足使设置在孔的内表面上的等离子共振层可进行等离子共振即可。在一实施例中，孔具有小于等离子共振层所接收的光的波长的孔径大小，则在长波光线入射时，根据准静态近似，可视为在外加电场作用下，等离子共振层上的金属颗粒自由电子做集体的共振振荡，金属颗粒自由电子集体振荡的激发态与入射的光光子相互耦合形成混合激发态，则等离子共振层表面发生局域表面等离子体共振，可通过等离子共振层作为天线控制谐振波长，并通过等离子共振吸收长波光线。在一实施例中，等离子共振层的设置在孔的内表面的侧面的高度，具有小于等离子共振层所接收的光的波长的大小。在一实施例中，等离子共振层的材质可以为锡、钽、铜、金中的一种或其中几种的组合。可选的，尺寸为100nm、高度为1um、Au为材料的等离子共振层的共振波长在1500nm左右。因此，可根据实际需求，通过设计衬底上孔的尺寸与高度并沉积相应的等离子共振层来控制谐振波长。在一实施例中，图像传感器结构包括保护层和滤波层，保护层位于等离子共振层的上方，滤波层位于保护层上方，以用于特定波长的光线才能穿过滤波层后到达等离子共振层。
本实施例的图像传感器结构，通过在衬底上设置的多个孔的内表面制作等离子共振层，从而利用表面等离子共振吸收长波光线，等离子共振层的共振表面的电子吸收长波光线的能量，并在克服势垒高度后产生电流，使得图像传感器在长波光线下能正常检测以得到所需的图像。
在一实施例中，半导体层为N型掺杂硅，衬底为硅衬底。则在工艺制备时，可先制备硅衬底，再通过离子掺杂获得衬底上局部N型掺杂硅，并作为半导体层。其中，半导体层的位置需设置使半导体层与等离子共振层至少有一接触面，则半导体层与等离子共振层在接触面构成类似肖特基二级管的肖特基接触，从而形成势垒高度。当等离子共振层的共振表面的电子吸收长波光线的能量增大到能克服势垒高度时，等离子共振层的共振表面的电子可移动至半导体层，最终产生电流，该电流可发送至与半导体层电性相连的读出电路，以用于生成图像。
图4为本发明一实施例的图像传感器结构的剖视图。
在一实施例中，如图4所示，半导体层420设置于孔的内表面与等离子共振层430之间。在一实施例中，半导体层420可设置在衬底的孔的内表面上并形成孔状，而等离子共振层430可设置在半导体层420所形成的孔的内表面上。则工艺制备时，可先制备衬底410，并在衬底410上刻蚀多个孔，再通过沉积依次获得半导体层420和等离子共振层430。其中，半导体层420可沉积覆盖衬底410的孔的侧面和底面的全部区域或部分区域，等离子共振层430可沉积覆盖半导体层420的孔的侧面和底面的全部区域或部分区域，使半导体层420与等离子共振层430在半导体层420形成的孔的侧面和底面有接触面，则半导体层420与等离子共振层430在接触面构成类似肖特基二级管的肖特基接触，从而形成势垒高度。当等离子共振层430的共振表面的电子吸收长波光线的能量增大到能克服势垒高度时，等离子共振层430的共振表面的电子可移动至半导体层420，最终产生电流，该电流可发送至与半导体层420电性相连的读出电路，以用于生成图像。
图5为本发明一实施例的图像传感器结构的剖视图。
在一实施例中，如图5所示，半导体层520设置于孔的底面与等离子共振层530之间。在一实施例中，可通过离子掺杂或者沉积在衬底510的孔的底部制作半导体层520。在一实施例中，可采用套刻工艺，在半导体层520的相应电极位置刻蚀制备穿过衬底510的通孔互连结构，以用于半导体层520与读出电路的电性连接。从而，半导体层520与等离子共振层530在半导体层520形成的孔的侧面和底面有接触面，则半导体层520与等离子共振层530在接触面构成类似肖特基二级管的肖特基接触，从而形成势垒高度。当等离子共振层530的共振表面的电子吸收长波光线的能量增大到能克服势垒高度时，等离子共振层530的共振表面的电子可移动至半导体层520，最终产生电流，该电流可发送至与半导体层520电性相连的读出电路，以用于生成图像。
图6为本发明一实施例的图像传感器结构的剖视图。
在一实施例中，如图6所示，半导体层620设置于衬底610的上表面。在一实施例中，衬底610为硅衬底。在一实施例中，可通过离子掺杂或者沉积在衬底610设置的孔的上表面制作半导体层620，再刻蚀半导体层620和衬底610，得到由半导体层620和衬底610构成的多个孔，最后再沉积孔的内表面得到等离子共振层630。从而，半导体层620与等离子共振层630在孔的侧面有接触面，则半导体层620与等离子共振层630在接触面构成类似肖特基二级管的肖特基接触，从而形成势垒高度。当等离子共振层630的共振表面的电子吸收长波光线的能量增大到能克服势垒高度时，等离子共振层630的共振表面的电子可移动至半导体层620，最终产生电流，该电流可发送至与半导体层620电性相连的读出电路，以用于生成图像。
图7为本发明一实施例的图像传感器结构的俯视结构示意图。本实施例的图像传感器结构中，多个孔对应的多个等离子共振层730在孔的上表面相互连通。在多个孔对应的多个等离子共振层730在孔的上表面相互连通时，多个孔对应的多个等离子共振层730共同发生表面等离子振动，以吸收多个孔对应的长波光线，从而，等离子共振层730的共振表面的电子吸收多个孔对应的长波光线的能量后，电子更加活跃，更容易克服半导体层与等离子共振层730之间肖特基接触形成的势垒高度。所以，在长波光线发生微弱变化时，本实施例的图像传感器结构更容易获得电流，从而可较容易地检测出光线的细微变化。则相对于上述其他实施例中的图像传感器结构，本实施例的图像传感器结构用于图像检测器时，提高了灵敏度，可更容易捕捉细微的图像变化。
基于同一发明构思，本发明还提供一种图像传感器结构的制作方法，该制作方法包括：
S1、提供衬底；
S2、在衬底上刻蚀形成多个孔；
S3、在衬底上形成半导体层；
S4、在孔的内表面沉积等离子共振层，半导体层与等离子共振层至少有一接触面。
上述中方法的步骤并不限制顺序，根据前述的图像传感器结构的需要，可以先执行S2制作孔，再执行S3制作半导体层，也可以先执行S3制作半导体层，再执行S2制作孔。
在一实施例中，衬底上形成半导体层的方法包括：通过离子掺杂或者表面沉积方式在衬底上形成半导体层。
在一实施例中，可参考图2实施例的图像传感器结构，衬底上形成半导体层的方法包括：衬底210与半导体层220一体成型。本实施例在工艺制备衬底阶段，通过一次离子掺杂，可将衬底210制成n型硅衬底时，并同时制成半导体层220，实现衬底210与半导体层220一体成型。
在一实施例中，衬底上形成半导体层的方法包括：在衬底为硅衬底时，通过离子掺杂制作得到半导体层。
在一实施例中，可参考图4实施例的图像传感器结构，衬底410上形成半导体层420的方法包括：通过沉积覆盖衬底410的孔的侧面和底面的全部区域或部分区域制作半导体层420。在一实施例中，沉积等离子共振层430的方法包括：在半导体层420表面制备掩模；利用等离子体或者腐蚀液刻蚀未被掩模保护的半导体层420；通过沉积覆盖半导体层420所形成的孔的侧面和底面的全部区域或部分区域制作等离子共振层430。则半导体层420与等离子共振层430在半导体层420形成的孔的侧面和底面有接触面，则半导体层420与等离子共振层430在接触面构成类似肖特基二级管的肖特基接触，从而形成势垒高度。
在一实施例中，可参考图5实施例的图像传感器结构，衬底510上形成半导体层520的方法包括：在衬底510的孔的底面通过离子掺杂或沉积制备出半导体层520。则半导体层520与等离子共振层530在半导体层520形成的孔的侧面和底面有接触面，则半导体层520与等离子共振层530在接触面构成类似肖特基二级管的肖特基接触，从而形成势垒高度。
在一实施例中，可参考图6实施例的图像传感器结构，衬底610上形成半导体层620的方法包括：可通过离子掺杂或者沉积在衬底610设置的孔的上表面制作半导体层620。在一实施例中，在衬底610上刻蚀形成多个孔的方法包括：在半导体层620表面制备掩模；利用等离子体或者腐蚀液刻蚀未被掩模保护的半导体层620直至露出衬底；刻蚀衬底610露出的区域，形成衬底610的孔。在一实施例中，沉积等离子共振层630的方法包括：通过沉积覆盖半导体层620和衬底610所形成的孔的侧面和底面制作等离子共振层630。从而，半导体层620与等离子共振层630在孔的侧面有接触面，则半导体层620与等离子共振层630在接触面构成类似肖特基二级管的肖特基接触，从而形成势垒高度。
在一实施例中，可参考图7-8实施例的图像传感器结构，图8为本发明一实施例的图像传感器结构的剖视图。沉积等离子共振层730(图8中830)的方法包括：在孔的内表面和上表面沉积等离子共振层730(图8中830)，使得多个衬底710(图8中810)的孔对应的多个等离子共振层730(图8中830)在孔的上表面相互连通。
本发明实施例的图像传感器结构和制作方法，可以通过在衬底上设置的多个孔的内表面制作等离子共振层，从而利用表面等离子共振吸收长波光线，等离子共振层的共振表面的电子吸收长波光线的能量，并在克服势垒高度后产生电流，使得图像传感器在长波光线下能正常检测以得到所需的图像。
以上实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (11)
1.一种图像传感器结构，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底上设置有多个孔；
等离子共振层，所述等离子共振层设置于所述孔的内表面；
半导体层，所述半导体层与所述等离子共振层至少有一接触面，并传导所述等离子共振层克服与所述半导体层的势垒高度后的电流至读出电路。
2.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，
所述衬底与所述半导体层一体成型，且所述衬底为n型硅衬底。
3.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述半导体层为N型掺杂硅，所述衬底为硅衬底。
4.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述半导体层设置于所述孔的内表面与所述等离子共振层之间。
5.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述半导体层设置于所述孔的底面与所述等离子共振层之间。
6.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述半导体层设置于所述衬底的上表面。
7.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述图像传感器结构包括保护层和滤波层，所述保护层位于所述等离子共振层的上方，所述滤波层位于所述保护层上方。
8.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，多个所述孔对应的多个所述等离子共振层在所述孔的上表面相互连通。
9.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述孔具有小于所述等离子共振层所接收的光的波长的孔径大小。
10.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述等离子共振层的材质为锡、钽、铜、金中的一种或其中几种的组合。
11.一种根据权利要求1-10任一项所述的图像传感器结构的制作方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上刻蚀形成多个孔；
在所述衬底上形成半导体层；
在所述孔的内表面沉积等离子共振层，所述半导体层与所述等离子共振层至少有一接触面。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202210748309.3A CN117374084A (zh) | 2022-06-29 | 2022-06-29 | 一种图像传感器结构和制作方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202210748309.3A CN117374084A (zh) | 2022-06-29 | 2022-06-29 | 一种图像传感器结构和制作方法 |
Publications (1)
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| CN117374084A true CN117374084A (zh) | 2024-01-09 |
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Family Applications (1)
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