TW201513824A - 自發光互補金屬氧化物半導體影像感測器封裝 - Google Patents

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Abstract

一種微電子晶片包含與一發光二極體晶粒整合之一互補金屬氧化物半導體影像感測器。電路係建立在該晶片之上，以供一共用電源配置。

Description

自發光互補金屬氧化物半導體影像感測器封裝
互補金屬氧化物半導體影像感測器產品有許多用途，舉例來說，使用在相機內、在智慧手機內、和在醫學影像成像器內。所有上述的裝置需要外部的光源。這在醫學的內視鏡產品上尤其明顯。因為其在身體裡是黑暗的，內視鏡的尖端需要一光源。再者，由於內科檢查必須深入身體內的孔洞，內視鏡末端必須小型化，例如氣道的支流或血管。因此，輔助光源的需求有時候可能成為進一步小型化內視鏡的限制因素，尤其如該照明源需要一電源傳遞系統會使設計複雜化。
傳統的內視鏡產品具有分離的照明系統和檢測系統。這些可以透過授權給Shipp的美國專利號6,449,006，和其相關的光學組裝或可在授權給Ishigami等人的美國專利號8,308,637中舉例說明。圖1說明在先前技術中一般性質之一內視鏡系統100。一內視鏡102配備有一成像頭104，其可選擇性的連接在鎖環106。一互補金屬氧化物半導體影像封裝108包括一透鏡與一光偵測器陣列，例如一光電二極體陣列(未圖示)。該影像封裝108係被許多發光二極體110,112所包圍。線束114藉由各自獨立的導線分配至各發光二極體110、112和互補金屬氧化物半導體影像封裝108將該成像頭104與一主控制器116耦合以提供訊號接收，經由處理形成可見的影像。
本發明揭露之方式克服了上述的問題，且藉由結合了可能需要為成像提供照明之一個或多個發光二極體之一互補金屬氧化物半導體影像封裝提升該技術。
在一實施例中，一微電子晶片載有一互補金屬氧化物半導體影像感測器係藉由整合一發光二極體發射器和晶片來改良，使得發光二極體發射器 和晶片共用一相同基板。舉例來說，此整合元件係可形成為一晶片封裝且利於一內視鏡、照相機或其他成像裝置之照明時使用。
就一方面而言，基板係可由矽所組成，但是較佳選擇為砷化鎵。 微電子晶片之一發光二極體部分係可形成於砷化鋁鎵之上。在此範例中，互補金屬氧化物半導體感測器部分係可形成於砷化銦鎵之上。微電子晶片係可包含其他微電子晶片的協助運作之電路，且此電路係可形成於未修飾的砷化鎵之上。
在一方面，微電子晶片係可包括一發光二極體透鏡間隔，其係用 以提供發光二極體發射器所投射的光線之一第一光學路徑。一互補金屬氧化物半導體感測器透鏡間隔係可提供以配置一使光線傳遞(送)至互補金屬氧化物半導體感測器之一第二光學路徑。一光分路器係可設置於發光二極體透鏡間隔與互補金屬氧化物半導體感測器透鏡間隔之間，以實質上將第一光學路徑與第二光學路徑隔離。
在一方面，發光二極體發射器和互補金屬氧化物半導體影像感測 器經由在微電子晶片上之至少一共用電性連接來共用電源。舉例而言，此電性連接係可為一共用電源線及/或一共用接地線。
在微電子晶片上之互補金屬氧化物半導體感測器係可配置在一前面照射方向或一背面照射方向。
100‧‧‧內視鏡系統
102‧‧‧內視鏡
104‧‧‧成像頭
106‧‧‧鎖環
110‧‧‧發光二極體
112‧‧‧發光二極體
114‧‧‧線束
116‧‧‧主控制器
200‧‧‧習知技術的發光二極體
202‧‧‧發光二極體晶粒
204‧‧‧砧座
206‧‧‧陰極
208‧‧‧支柱
210‧‧‧陽極
212‧‧‧反射空腔
214‧‧‧正面方向
216‧‧‧銲線
218‧‧‧透鏡
300‧‧‧基板
302‧‧‧發光磊晶層
302a‧‧‧矩形磊晶層
302b‧‧‧圓柱型磊晶層
304‧‧‧n型摻雜層
306p‧‧‧型摻雜層
308‧‧‧p型接觸
400a‧‧‧點光源
400b‧‧‧點光源
402a‧‧‧朝向上方
402b‧‧‧朝向上方
404a‧‧‧側面方向
406a‧‧‧側面方向
408‧‧‧圓錐形反射空腔
500‧‧‧發光二極體晶粒
502‧‧‧關聯的反射表面
504‧‧‧互補金屬氧化物半導體感測器
506‧‧‧載體
508‧‧‧電源線
510‧‧‧接地線
512‧‧‧感測器周圍
600‧‧‧互補金屬氧化物半導體感測器陣列
602‧‧‧電源線
604‧‧‧接地線
606‧‧‧周圍
608‧‧‧互補金屬氧化物半導體感測器
700‧‧‧立方晶片
702‧‧‧發光二極體晶粒
704‧‧‧互補金屬氧化物半導體晶片
706‧‧‧共同透鏡
708‧‧‧發光二極體透鏡部分區域
710‧‧‧發光二極體透鏡間隔
712‧‧‧感測器透鏡部分區域
714‧‧‧感測器間隔
716‧‧‧光分路器
718‧‧‧入射光線
720‧‧‧光線
722‧‧‧導線
724‧‧‧導線
726‧‧‧頂層
900‧‧‧製造流程
904‧‧‧砷化鎵基板
906‧‧‧光阻
908‧‧‧移除區域
910‧‧‧鋁佈植
914‧‧‧光阻
916‧‧‧銦佈植
920‧‧‧鋁砷化鎵材質
922‧‧‧砷化銦鎵材質
P902‧‧‧步驟
P912‧‧‧步驟
P918‧‧‧步驟
P924‧‧‧形成電路
P926‧‧‧形成互補金屬氧化物半導體感測器
P928‧‧‧形成發光二極體晶粒
P930‧‧‧形成透鏡堆疊
圖1係為一先前技術之一具照明之內視鏡尖端。
圖2係為一發光二極體。
圖3係為可適用於本發明之一發光二極體晶粒。
圖4A顯示由一發光二極體晶粒自複數個方向所發射之光，且圖4B顯示光源被一反射表面制約而限制方向之一比較結構。
圖5顯示於一發光二極體晶粒整合一互補金屬氧化物半導體影像感測器，且共用基板與電源線。
圖6係為一類似圖5之元件，但具有不同的共用電源的配置。
圖7係為構造在一共用基板之一互補金屬氧化物半導體感測器與一發光二極體晶粒且在基板上具有共用導線以共用電源之一晶片封裝，其中封裝包括覆蓋於一發光二極體晶片與互補金屬氧化物半導體感測器二者之一透鏡。
圖8係為構造在一共用基板之一互補金屬氧化物半導體感測器與一發光二極體晶粒且在基板上具有共用導線以共用電源之一晶片封裝，其中封裝包括一透鏡，係至少覆蓋於發光二極體晶粒及互補金屬氧化物半導體感測器之至少之一者。
圖9係為一包含一發光二極體晶粒與一互補金屬氧化物半導體感測器之晶片封裝之製造流程圖。
一照明光源係可根據如下說明的不同實施例與一互補金屬氧化物半導體成像封裝結合。
共用電性連接之互補金屬氧化物半導體感測器與光學二極體
一光學二極體，例如一發光二極體，係可形成一晶粒置入一互補金屬氧化物半導體感測器封裝之周圍結構。更具體的說，發光二極體使用互補金屬氧化物半導體感測器封裝既有的電性導線。典型的互補金屬氧化物半導體封裝使用30到50毫瓦的功率，但是發光二極體係可使用100到150毫瓦的功率，所以此需求係可很容易地容納在供使用之互補金屬氧化物半導體電源線的設計中。而且，發光二極體係可具有或不具有透鏡。如果需要50毫米之一光照範圍，則發光二極體可能需要一透鏡來向外投射光線。如果光照範圍小於50毫米，則發光二極體可能不需要一透鏡來向外投射光線。
圖2顯示一習知的發光二極體200之一基礎結構。發光半導體LED晶粒202是發光二極體之核心，但它是發光二極體之一很小的部分。發光二極體晶粒202係被大型支架結構所環繞，包括與一陰極206連接之一砧座204、一陽極210連接之一支柱208、圍繞晶片202且集中光線至一正面方向214之一反射空腔212、一銲線216和一透鏡218，例如一環氧樹脂透鏡外殼。在如下討論實施例的上下文中會明白發光二極體晶粒202係被挑出，且藉共用電源及/或接地線與互補金屬氧化物半導體感測器結合。不再需要如圖2所示包括砧座204和支柱208之額外的大型發光二極體元件。
圖3係發光二極體晶粒202之一剖視圖。發光二極體晶粒202係形成在一包括三族及/或五族元素之一基板300上，例如磷砷化鎵(GaAsP)或磷化鋁銦鎵(AlGaInP)。值得注意的，發光二極體基板係可由矽以外的物質所製成，其傳統上係用於形成互補金屬氧化物半導體感測器。光源產生部分區域係為夾在 一n型摻雜層304與一p型摻雜層306之一發光(主動)磊晶層302。藉由在發光二極體晶粒202的頂端之一p型接觸308來形成至p型摻雜層之電性連接。
一般而言，發光磊晶層302在兩個方向，朝上和側向，放出光線。 圖4A說明光是從一矩形磊晶層302a內之一點光源400a朝向上方402a和側面方向404a、406a二者被放射出來。圖4B說明光是從一圓柱型磊晶層302b內之一點光源400b藉由一圓錐形反射空腔408的作用後僅朝上方402b發射光線。
圖5中說明一共享電性接線之一第一的實施例。在此，一發光二 極體晶粒500與其關聯的反射表面502和互補金屬氧化物半導體感測器504整合於感測器的載體506上。電性導線，例如電源線508和接地線510，係位於載體506上。發光二極體晶粒500與互補金屬氧化物半導體感測器504共用這些電性導線，例如在感測器504的周圍512共用電源耦合配置中共享。然而圖5僅說明了一個發光二極體晶粒500與互補金屬氧化物半導體感測器504相連，但也可存在著多個發光二極體與一單一個感測器結合。互補金屬氧化物半導體感測器504係可以為金屬層位於光電二極體之上之前面照射型(FSI)或金屬層位於光電二極體之相反方向之背面照射型(BSI)之兩者之一。因為電性導線係位於載體層，前面照射型和背面照射型兩種架構都能運作。
在第二個實施例中，發光二極體晶粒與其相關的反射面係在互補 金屬氧化物半導體感測器晶片周圍結合。圖6顯示一具有0.9毫米乘0.9毫米尺寸之互補金屬氧化物半導體感測器陣列600，包含在像素陣列或互補金屬氧化物半導體感測器608的周圍附近之一電源線602和一接地線604，其例如0.25毫米乘0.25毫米大小。發光二極體晶粒(未顯示)係可位於電源線和接地線602、604之上，而且係可跟互補金屬氧化物半導體感測器608共用電源和接地。在此實施例中，互補金屬氧化物半導體感測器608必須為前面照射，因為在周圍606之電性導線係在可觸及包含光電二極體之像素陣列或互補金屬氧化物半導體感測器608的同一側。
整合發光二極體與一BSI互補金屬氧化物半導體感測器係可能 的。在顯示於圖5C之一第三實施例中，發光二極體晶片係連接至像素陣列對邊的互補金屬氧化物半導體感測器。發光二極體所發之光係反射而離開反射面進入朝前的方向。此反射面係足夠大以包含整個互補金屬氧化物半導體晶片。
與發光二極體結合之透鏡化攝影機晶片
前述圖5與圖6的實施例可以進一步藉由增加之一單一光學分割 透鏡以用於發光二極體晶粒之光投射與互補金屬氧化物半導體感測器之光收集來改進。這概念運用於半導體堆疊方法來製造作為晶圓之複數結構層之晶圓級光學元件。這係將光學晶圓結構整合到互補金屬氧化物半導體感測器之封裝於一單一步驟中。這產生了一完全整合的晶片產品，可以在具有非常小的晶片覆蓋區和低剖面之可回銲的互補金屬氧化物半導體矽晶片之上達到照相機功能，以製造超薄和小型的元件。
圖7顯示一種如上所述實施例之一立方晶片700。一發光二極體晶 粒702和一互補金屬氧化物半導體晶片704共用一共同透鏡706，包括在一發光二極體透鏡間隔710之上的發光二極體透鏡部分區域708和一在感測器間隔714之上的感測器透鏡部分區域712。一光分路器716將發光二極體透鏡間隔710與感測器間隔714分離。光分路器係鍍上或由一不透明物質所製成來防止發光二極體晶粒702產生的光線進入到感測器的間隔714。感測器透鏡部分區域712集中入射光線718來投射到互補金屬氧化物半導體感測器704。這通常意謂透鏡的感測器透鏡部分712係為凸透鏡，也就是正透鏡。
發光二極體透鏡部分708引導發光二極體晶粒702發射的光線720 自發光二極體透鏡間隔710向外發射。發光二極體透鏡部分708係可係凸透鏡或正透鏡當以會聚光線為目的，或者透鏡亦係可為凹透鏡或負透鏡而以發散光線為目的。發光二極體透鏡和感測器透鏡部分係可因為光線會聚或發散而有不同的光學特性。在此範例中，兩個部分708、712係為光會聚，他們係可有不同的焦距深度。互補金屬氧化物半導體晶片704和發光二極體晶粒702之間係藉由導線722、724以共用電源，例如和前述揭露一樣從工作電壓電極和接地線共用電源。一相對增加硬度之選擇性的頂層726，例如護罩玻璃，係可保護共用透鏡706。
共用透鏡706係可係自一塊環氧樹脂沖壓或壓印而成，舉例來 說，其中藉由一沖壓來形成共用透鏡706，係包括一用以形成發光二極體透鏡部分708之第一附加部分和形成感測器透鏡部分712之第二附加部分。當共用透鏡706係由光學微影製程技術製成，其光罩係包含發光二極體部分(區域)和感測器部分(區域)。
圖8說明類似圖7之一實施例，但是其中共用透鏡706僅覆蓋感測 器間隔714。圖7和圖8相同部件的類似編號保留來說明發光二極體透鏡部分區域 708係選擇性的省略。
在共用一基板上製造發光二極體和互補金屬氧化物半導體
基本概念係在相同基板，例如砷化鎵，上製作互補金屬氧化物半導體和發光二極體。傳統上互補金屬氧化物半導體係在矽基板上製作。然而，砷化鎵亦可被用為互補金屬氧化物半導體元件的一替代基板。發光二極體一般係在鋁砷化鎵基板上製成，該基板係可由砷化鎵來形成。因此，它係有可能從砷化鎵開始，如前所述的修改互補金屬氧化物半導體部分區域和發光二極體部分區域，然後繼續在基板之修改部分區域製作發光二極體和互補金屬氧化物半導體元件。
砷化鎵具有一晶格常數565.35皮米(pm)。鋁砷化鎵具有一晶格常數565.33皮米，所以係可在砷化鎵基板上形成晶格化成長而不會造成顯著的晶格應變。相反的，砷化銦鎵具有一晶格常數586.87皮米，所以其係無法在砷化鎵基板上形成而不造成顯著的晶格應變。實際上，習知技術通常是在磷化銦上形成砷化銦鎵的成長晶格。在本發明所揭露中，砷化銦鎵係藉由佈植銦到一砷化鎵基板內所形成。鋁砷化鎵係可自砷化鎵基板上直接成長，或藉由佈植鋁到砷化鎵內所形成。
在發光二極體一側，藉由佈植鋁而修改形成之鋁砷化鎵而製成一紅外線發射器，係能產生波長大於約760奈米的紅外光。相反的，藉由佈植銦修改感測器一側而形成之砷化銦鎵能產生一偵測波長介於700到2600奈米的紅外線之偵測器。
舉例來說，圖9說明一如前述製造一整合基板的流程。此基板係可包括一形成發光二極體之鋁砷化鎵部分區域和一形成互補金屬氧化物半導體影像感測器之砷化銦鎵部分區域。製造流程900從步驟P902開始，將一砷化鎵基板904覆蓋上一光阻906，並移除用以鋁佈植之一區域908之光阻來形成鋁砷化鎵。步驟P912係先將光阻906移除，並增加一新的光阻914以覆蓋於鋁砷化鎵材質之區域908。將銦係佈植916到原本光阻906之下而今裸露的砷化鎵部分區域以形成砷化銦鎵。最後，步驟P918係移除覆蓋於鋁砷化鎵部分區域之光阻914。最終的基板具有一提供給發光二極體用的鋁砷化鎵部分區域和一提供給互補金屬氧化物半導體影像感測器用之砷化銦鎵部分區域922。
步驟P924形成其他影像感測器必需的電子電路，舉例來說，支持 元件包括邏輯電路例如讀出電路係可在未佈植鋁或銦的砷化鎵基板上形成。
步驟P926，互補金屬氧化物半導體感測器係在由步驟P918所產生之砷化銦鎵材質922之上形成。熟知的詳細製造互補金屬氧化物半導體感測器之技藝，舉例來說，如授權給Dickinson等人之美國專利號5,631,704所述，和授權給Clark等人之6,133,563等，此處藉由一併參考這兩個發明相同的內容可完全複製之。步驟P928，LED晶片係在由步驟P912所產生之鋁砷化鎵材質920之上形成。熟知的詳細製造發光二極體晶片之技藝，舉例來說，如授權給Katoh等人之美國專利號5,032,960所述，和授權給Yang之8,368,114等，此處藉由一併參考這兩個發明相同的內容可完全複製之。
在步驟P930中，一組合透鏡係形成給發光二極體晶片和互補金屬氧化物半導體感測器使用。舉例來說，這個透鏡係可利用沖壓或壓紋製法形成。如前所述透鏡的一個部分區域係提供給發光二極體投射之用且另一部分係給互補金屬氧化物半導體接收光之用。透鏡組合係堆疊在整合之發光二極體-互補金屬氧化物半導體晶片之上。最終產品係為一晶片組和一透鏡組之一整合系統，係由一發光二極體晶粒之作用來發射光線，也可由一互補金屬氧化物影像感測器之作用來感測光線。此外，當複數個互補金屬氧化物影像感測器被整合在此一整合系統中時，這些複數個感應器係可用來做3D影像感測。
前述討論在此技藝中的那些技術可理解為當作範例而非當作限制。那些不能分離本發明範圍和精神之表示和說明皆可視為非實質的改變。如前所述，發明者特此宣告他們的發明係依靠均等論，如有必要在本專利權申請範圍中保護本專利的完整權利。
702‧‧‧發光二極體晶粒
704‧‧‧互補金屬氧化物半導體晶片
708‧‧‧發光二極體透鏡部分區域
710‧‧‧發光二極體透鏡間隔
712‧‧‧感測器透鏡部分區域
714‧‧‧感測器間隔
716‧‧‧光分路器
718‧‧‧入射光線
720‧‧‧光線
722‧‧‧導線
724‧‧‧導線

Claims (17)

  1. 一種在一微電子晶片中承載一互補金屬氧化物半導體影像感測器，其改良包括：一發光二極體發射器與該晶片整合。
  2. 如請求項第1項所述之微電子晶片，其係形成於一砷化鎵基板上。
  3. 如請求項第2項所述之微電子晶片，其包括一發光二極體部分，係形成於砷化鋁鎵之上。
  4. 如請求項第2項所述之微電子晶片，其包括一互補金屬氧化物半導體感測器部分，係形成於砷化銦鎵之上。
  5. 如請求項第2項所述之微電子晶片，其包括形成在砷化鋁鎵之上之一發光二極體部分以及形成在砷化銦鎵之上之一互補金屬氧化物半導體感測器部分。
  6. 如請求項第1項所述之微電子晶片，其包括電路以協助該微電子晶片形成於未修飾的砷化鎵上之操作。
  7. 如請求項第1項所述之微電子晶片，其包括一發光二極體透鏡間隔，提供一光學路徑以利於投射該發光二極體發射器所發出之光。
  8. 如請求項第1項所述之微電子晶片，其包括一互補金屬氧化物半導體感測器透鏡間隔，提供一光學路徑以使光線傳遞至該互補金屬氧化物半導體感測器。
  9. 如請求項第1項所述之微電子晶片，其包括：一發光二極體透鏡間隔，提供一第一光學路徑以利於投射該發光二極體發射器所發出之光；一互補金屬氧化物半導體感測器透鏡間隔，提供一第二光學路徑以使光線傳 遞至該互補金屬氧化物半導體感測器；以及一光分路器，係實質上將該第一光學路徑與該第二光學路徑隔離。
  10. 如請求項第1項所述之微電子晶片，其包括該發光二極體發射器與該互補金屬氧化物半導體影像感測器共用之至少一共用電性連接。
  11. 如請求項第10項所述之微電子晶片，其中該共用電性連接係包括一電源線。
  12. 如請求項第10項所述之微電子晶片，其中該共用電性連接係包括一接地線。
  13. 如請求項第10項所述之微電子晶片，其中該至少一共用電性連接包括一電源線和一接地線。
  14. 如請求項第13項所述之微電子晶片，其中該互補金屬氧化物半導體影像感測器係在一前面照射方向。
  15. 如請求項第13項所述之微電子晶片，其中該互補金屬氧化物半導體影像感測器係在一背面照射方向。
  16. 如請求項第1項所述之微電子晶片，其係可安裝在一內視鏡之上操作，以提供影像之用。
  17. 如請求項第1項所述之微電子晶片，其係安裝在一相機之上，以提供影像之用。
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