TWI536552B - 光學感測器 - Google Patents
光學感測器 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI536552B TWI536552B TW103112656A TW103112656A TWI536552B TW I536552 B TWI536552 B TW I536552B TW 103112656 A TW103112656 A TW 103112656A TW 103112656 A TW103112656 A TW 103112656A TW I536552 B TWI536552 B TW I536552B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- electrode
- photoelectric conversion
- disposed
- optical sensor
- plasmonic
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims description 55
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 70
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims description 69
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 14
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 13
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 5
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000035807 sensation Effects 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 77
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 25
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 20
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 14
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 8
- 239000012044 organic layer Substances 0.000 description 8
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 4
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 3
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 3
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 3
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 230000005525 hole transport Effects 0.000 description 2
- PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M lithium fluoride Chemical compound [Li+].[F-] PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 description 1
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- MCEWYIDBDVPMES-UHFFFAOYSA-N [60]pcbm Chemical compound C123C(C4=C5C6=C7C8=C9C%10=C%11C%12=C%13C%14=C%15C%16=C%17C%18=C(C=%19C=%20C%18=C%18C%16=C%13C%13=C%11C9=C9C7=C(C=%20C9=C%13%18)C(C7=%19)=C96)C6=C%11C%17=C%15C%13=C%15C%14=C%12C%12=C%10C%10=C85)=C9C7=C6C2=C%11C%13=C2C%15=C%12C%10=C4C23C1(CCCC(=O)OC)C1=CC=CC=C1 MCEWYIDBDVPMES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ASIIQTABPIPDFG-UHFFFAOYSA-L [Sn+2]=O.[F-].[F-] Chemical compound [Sn+2]=O.[F-].[F-] ASIIQTABPIPDFG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- JYMITAMFTJDTAE-UHFFFAOYSA-N aluminum zinc oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Al+3].[Zn+2] JYMITAMFTJDTAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 229920000547 conjugated polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/30—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains
- H10K30/35—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains comprising inorganic nanostructures, e.g. CdSe nanoparticles
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/80—Constructional details
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic radiation-sensitive element covered by group H10K30/00
- H10K39/30—Devices controlled by radiation
- H10K39/32—Organic image sensors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/10—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising heterojunctions between organic semiconductors and inorganic semiconductors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/80—Constructional details
- H10K30/84—Layers having high charge carrier mobility
- H10K30/85—Layers having high electron mobility, e.g. electron-transporting layers or hole-blocking layers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/80—Constructional details
- H10K30/84—Layers having high charge carrier mobility
- H10K30/86—Layers having high hole mobility, e.g. hole-transporting layers or electron-blocking layers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/10—Organic polymers or oligomers
- H10K85/111—Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
- H10K85/113—Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
- H10K85/1135—Polyethylene dioxythiophene [PEDOT]; Derivatives thereof
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/549—Organic PV cells
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Description
本發明係關於積體電路裝置，且特別是關於一種光學感測器。
於快照(snap shot)呈現於數位相機的螢幕之前，相機內之一鏡片係聚焦一影像於由數個光檢測器(photo-detectors)之一陣列物所製成之一光學感測器(optical sensor)之上。此光檢測器的陣列物可將影像之光線轉換成為用於產生此影像的數位編碼之數個電子訊號(electrical signals)。
基於眾多因素，傳統之光學感測器並不太理想。舉例來說，基於散射(scattering)或遠離光檢測器之輻射躍遷之重新定向光子(radiative transition re-directing photons)等因素，傳統之光學感測器並無法完全準確地吸收光線。再者，由於各別之光檢測器之本身通常無法區分不同顏色之光線，故於光檢測器之陣列物上通常設置有紅光、藍光與綠光之分隔彩色濾光陣列物(color filter arrays)。然而，如第1A-1C圖所示，傳統之此些彩色濾光物並非完美。如第1A圖所示，理想之藍光彩色濾光物(穿透光譜102)可允許可見藍光(visible blue light)完美地穿透，且完美地減弱電磁光譜之其他部分，而傳統藍光彩色濾光物(穿透光譜104)則阻絕了部分藍光且允許其他部分的電磁光譜的通過。如第1B圖所示，於傳統綠光彩色濾光物之穿
透光譜106(相較於理想之綠光彩色濾光物之穿透光譜108)也有相同情形，以及於如第1C圖所示，對於傳統紅光彩色濾光物之穿透光譜110(相較於理想的紅光彩色濾光物之穿透光譜112)也有相同情形。
所以，本發明提供了應用了電漿子奈米結構(plasmonic nanostructures)之較佳之光學感測器。此些電漿子奈米結構可用於較佳地約束朝向光學感測器之光撞擊(light impingent)情形，及/或亦可用於提供光學感測器之較佳的濾光效果。
依據一實施例，本發明提供了一種光學感測器，包括：一第一電極，設置於一半導體基板上；一光電轉換元件，包括一P型層與一N型層，設置於該第一電極上，以轉換具有波長位於一特定波長範圍內之一或多個光子成為一電子訊號；一第二電極，設置於該光電轉換元件上，其中該第二電極於該特定波長範圍內為透明的；以及一彩色濾光元件，由複數個電漿子奈米結構所製成，設置於該第二電極之上。
依據另一實施例，本發明提供了一種光學感測器，包括：一第一電極，設置於一半導體基板上；一光電轉換元件，包括一P型層與一N型層，設置於該第一電極上，以轉換具有波長位於一特定波長範圍內之一或多個光子成為一電子訊號；以及一第二電極，設置於該光電轉換元件上，其中該第二電極於該特定波長範圍內為透明的，其中該第一電極與該第二電極係分別由複數個電漿子奈米結構所製成。
依據又一實施例，本發明提供了一種光學感測器，包括：複數個光電轉換元件之一陣列物，設置於一半導體基板上；複數個電漿子彩色濾光物之一陣列物，設置於該些光電轉換元件之該陣列物上，其中該些電漿子彩色濾光物分別設置於該些光電轉換元件之上；以及一側壁反射物，設置於該光電轉換元件之一邊界，且用以重新導向依照非垂直角度而穿透彩色濾光元件之光子朝向該光電感測器之該光電轉換元件，其中該側壁反射物包括一金屬核心物及塗佈於其一側壁上之一介電塗層。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附的圖式，作詳細說明如下。
102‧‧‧穿透光譜
104‧‧‧穿透光譜
106‧‧‧穿透光譜
108‧‧‧穿透光譜
110‧‧‧穿透光譜
112‧‧‧穿透光譜
200‧‧‧光學感測器
212‧‧‧第一電極
214‧‧‧光電轉換層
216‧‧‧第二電極
216a‧‧‧表面
218a‧‧‧側壁反射物
218b‧‧‧側壁反射物
220a‧‧‧垂直入射光
220b‧‧‧散射或放射光線
220c‧‧‧重新導引回朝向光電轉換層前進之光線
302‧‧‧第一曲線
304‧‧‧第二曲線
400‧‧‧光學感測器
402‧‧‧光學感測器
404‧‧‧紅光像素
406‧‧‧綠光像素
408‧‧‧藍光像素
410‧‧‧電漿子彩色濾光層
410a‧‧‧紅光電漿子濾光物
410b‧‧‧綠光電漿子濾光物
410c‧‧‧藍光電漿子濾光物
412、412a、412b、412c‧‧‧第一電極層/下方電漿子電極
414、414a、414b、414c‧‧‧光電轉換層
416、416a、416b、416c‧‧‧上方透明電極/第二電極層
418‧‧‧側壁反射物
420‧‧‧多色光
422‧‧‧內連結構
424‧‧‧讀出電路
426‧‧‧半導體基板
427‧‧‧金屬核心物
428‧‧‧介電塗層
502‧‧‧穿透光譜
504‧‧‧穿透光譜
506‧‧‧穿透光譜
602‧‧‧光電轉換層
604‧‧‧上方電極
606‧‧‧下方電漿子奈米結構電極/下方電極
608‧‧‧電洞傳輸/電子阻障層
610‧‧‧P型有機層
612‧‧‧N型電洞阻障層
620‧‧‧光電轉換層
622‧‧‧上方電極
624‧‧‧下方電漿子奈米結構電極
626‧‧‧電洞傳輸/電子阻障層
628‧‧‧P型有機層
630‧‧‧N型電洞阻障層
640‧‧‧光電轉換層
642‧‧‧上方電極
644‧‧‧下方電漿子奈米結構電極
646‧‧‧電洞傳輸/電子阻障層
648‧‧‧P型有機層
650‧‧‧N型電洞阻障層
第1A-1C圖顯示了多個不同彩色濾光物之穿透光譜。
第2圖為一剖面圖，顯示了依據本發明之多個實施例之一光學感測器。
第3圖顯示了依據本發明之多個實施例之光學感測器之吸收光譜。
第4A圖為一剖面圖，顯示了依據本發明之多個實施例之由數個像素所組成之一光學感測器。
第4B圖為一上視圖，顯示了依據本發明之多個實施例之由數個如第4A圖所示像素所組成之一光學感測器。
第5圖顯示了依據本發明之多個實施例之具有不同寬度與
間距之電漿子奈米結構及其對應的穿透光譜。
第6A-6C圖繪示了依據本發明之多個實施例之光電轉換層之剖面圖。
電漿子(plasmon)為電漿量子化後所形成之準粒子(quasi-particle)，並可視為電漿震盪(plasma oscillation)後之量子(quantum)。本發明之部分實施例中係關於使用了電漿子奈米結構(plasmonic nanostructures)之較佳光學感測器。電漿子奈米結構之尺寸、形狀、間距、與材料，以及周遭介質之介電常數可經過設定使得最終之光學感測器表現出期望之吸收與散射光譜(例如位於光譜之紫外光或紅外線區間)。藉由選擇尺寸、形狀、間隔與材料之適當組合，設計者可調整電漿子奈米結構，以幫助集中(confine)特定頻率或波長之穿透光至一光偵測元件之處。
第2圖顯示了依據本發明之多個實施例之一光學感測器(optical sensor)200。為了檢測光線，光學感測器200包括了一光電轉換層(photoelectrical conversion layer)214。當光線依照一或多個光子之型態撞擊此光電轉換層214時會彈出一自由電子，此自由電子提升橫跨了光電轉換層214之一電流或一電壓。為了利用此電壓或電流，於光電轉換層214之下或之內形成有一第一電極212。透明之第二電極216則形成於光電轉換層214之上且與第一電極212之間為此光電轉換層214所分隔。此些電極(212或216)之一或兩者可包括電漿子奈米結構，以幫助集中穿透光於光電轉換層214之內。
為了顯示如第2圖內所示之位於第一電極212及/或第二電極216之內一電漿子奈米結構如何幫助改善光電轉換層的光吸收效率之一詳細範例，第3圖內顯示了兩個吸收曲線。第一曲線302係對應於不包括電漿子奈米結構之一光學感測器之一模擬情形，而第二曲線304則對應於僅於位於下方之第一電極內(如第2圖內之212)應用電漿子奈米結構之一光學感測器之一模擬情形。如圖所示，經比較此兩曲線302與304之後，僅於位於下方之第一電極內(如第2圖內之212)使用電漿子奈米結構改善了光電轉換層(例如第2圖內之214)之光子吸收情形。特別地，可發現到波長介於約550奈米至700奈米之光線具有較多的光子吸收情形，雖然電漿子奈米結構內所採用之尺寸、形狀與材料可更為改變以改變此些吸收曲線，藉以符合其他之期望光譜。
第3圖內之模擬曲線304僅於下方之第一電極(如第2圖內之212)內採用了電漿子奈米結構，而於本發明之部分實施例中，係於第一電極與第二電極之內採用電漿子奈米結構，以更改善光學感測器的吸收度至超過如第3圖所示情形之程度。
再者，由於部分之電漿子奈米結構可能改變入射光之移動方向以幫助較佳地集中光線，電漿奈米結構有時亦可能無意中地誤導了部分光線遠離了光電轉換層214。舉例來說，第2圖內之光學感測器200可具有位於上方電極216內之一電漿子奈米結構，且其係直接地對準於光電轉換層214之上，以及亦可具有位於下方電極212內之電漿子奈米結構，且
其直接地對準於光電轉換層212之下。對於垂直入射光220a(即依照相對於上方電極之表面216a之一垂直角度而接近光電轉換層214之光線)，電漿子奈米結構可能不經意地散射(scatter)或放射(radiate)此光線，進而使得其如箭號220b所示般而轉向遠離了光電轉換層214。為了限制因於此不經意地之散射或放射情形所造成之吸收損失，第2圖內之光學感測器200亦可包括有數個側壁反射物(sidewall reflector)218a、218b。此些側壁反射物218a、218b將此些轉向光線重新導引回朝向光電轉換層214前進，如箭號220c所示，以改善光電轉換層214之吸收效率。如下文中之進一步解說情形，此些側壁反射物218a、218b通常由金屬所製成，且可塗佈有一介電材料以改善其反射率。
第4圖(為第4A圖與第4B圖之總稱)顯示了依據本發明之多個實施例之一光學感測器400之另一範例。不同於如第2圖所討論之包括單一光學感測器的實施例，此光學感測器400係由數個單獨的光學感測器402(亦可稱為像素)。為了方面起見，第4A圖內繪示了三個像素404、406、408，且於下文中描述為一紅光像素404、一綠光像素406與一藍光像素408。值得注意的是，雖然於第4A圖內僅繪示了三個像素404、406與408，然而本發明之光學感測器400可包括介於單一像素至百萬或甚至更多像素之任何數量像素。再者，此些像素通常依照一特定圖案而設置，例如一拜爾濾光圖案(Bayer filter)，其內之綠色像素係對應於一棋盤圖案之一半處而設置，而藍光像素與紅光像素則整合地設置於此棋盤圖案之另一
半處。請參照第4B圖，亦可採用除了拜爾圖案之其他圖案。
各個像素402包括了相堆疊之數個膜層，且此些膜層係由如微影技術及/或旋轉塗佈方式所形成。每個像素402之結構大體相同，且每個像素包括了一第一電極層412(例如為第4A圖所示之412a、412b與412c等元件，於部分實施例中亦可稱為一下方電漿子電極)、一光電轉換層414(例如為第4A圖所示之414a、414b與414c等元件)、一第二電極層416(例如為第4A圖所示之416a、416b與416c等元件，於部分實施例中亦可稱為一上方透明電極)、以及一電漿子彩色濾光層410。於相鄰之像素之間可設置有側壁反射物418。如第4A-4B圖所示，每一像素(例如像素之第一電極、光電轉換元件、第二電極與彩色濾光物)係橫向地為自第一電極之外部區垂直地延伸至彩色濾光元件之外部區之一邊界所侷限。此側壁反射物418可設置於此邊界處以橫向地環繞各個像素以幫助改善其吸收率。
雖然此些像素402於多個方面上為相似的，然而此些像素之間內之電漿子彩色濾光物410可具有不同之電漿子奈米結構以提供不同之波長特性。因此，每一彩色濾光物410可穿透特定頻率範圍之光線並阻絕其他頻率範圍之光線。舉例來說，紅光像素404包括一紅光電漿子濾光物410a，其允許紅光光線的穿透且阻絕了其他波長之光線(例如紅光電漿子濾光物410a阻絕了藍光與綠光)。綠光像素406包括一綠光電漿子濾光物410b，其允許綠光光線的穿透且阻絕了其他波長之光線(例如綠光電漿子濾光物410b阻絕了紅光與藍光)。藍光像素
408包括一藍光電漿子濾光物410c，其允許藍光光線的穿透且阻絕了其他波長之光線(例如藍光電漿子濾光物410c阻絕了紅光與綠光)。彩色濾光元件之此些電漿子奈米結構可具有不同尺寸、間距或材料以提供期望之波長特性。舉例來說，於部分實施例中，電漿子奈米結構係由鋁或銅所製成，其為常用於半導體製程中之低成本材料；紅光彩色濾光物可包括具有100-200奈米之寬度以及200-440奈米之間距之奈米結構；藍光彩色濾光物可包括具有60-120奈米之寬度以及120-360奈米之間距之奈米結構；以及綠光彩色濾光物可包括具有80-180奈米之寬度以及160-400奈米之間距之奈米結構。此些數值僅為範例之用，而確切數值可依照相關應用而大幅地變化。
於操作時，多色光(polychromatic light)如箭號420所示般接近光學感測器400並如依照大體垂直之一入射角撞擊電漿子彩色濾光物410之上表面。當其穿過每一電漿彩色濾光物410時，多色光420係經過過濾而得到大體窄光譜之光線。經過濾之光線接著穿透上方透明電極416並撞擊位於每一像素內之光電轉換層414。於光電轉換層414內，光線自光子或電磁波轉換成為一電子訊號，例如為一電壓或電流。此電壓程度或電流程度可相對於於一特定像素內衝擊光電轉換層414之光線強度而建立於每一像素之第一電極412與第二電極416內。此接著此電子訊號向下通過內連結構422至形成於半導體基板426內之讀出電路(read out circuitry)424。接著讀出電路424採用一演算法，例如為去馬賽克演算法(demosaicing algorithm)，以由像素陣列所提供之此些電子訊號產生一數位
影像。
特別是，電漿子彩色濾光物410之奈米結構可造成具有垂直地撞擊彩色濾光物410之上表面之一垂直分量之經過濾光的散射或依照非垂直角度之入射方向的放射情形。為了幫助將經散射或發散之光線重新導向回到像素之光電轉換層414處(且因此幫助避免此散射或發散光線免於負面地為光電轉換層於另一像素所吸收)，光學感應器400於相鄰像素之間包括了數個側壁反射物418。此些側壁反射物418可設置於約每一像素之邊界處且垂直地延伸(例如垂直地位於彩色濾光物410之上表面與光電轉換層414之下表面之間)。
側壁反射物418通常由一金屬核心物(metal core)427所形成，其可為一介電塗層428所環繞或包覆。此介電塗層428例如為低介電常數介電材料，其可較佳地幫助光線反射回到像素之光電轉換層414處。
為了舉例說明電漿子彩色濾光物(例如第4圖之410)及/或電漿子電極(例如第4圖內之412及或416)的奈米結構之設置範例，第5圖中顯示了數個範例，其內之奈米結構包括依照網格狀(grid-like)方式設置的數個金屬柱(metal pillar)。如第5圖所示，隨著此些金屬柱之尺寸、形狀與間距的改變，為此些電漿子奈米結構所集中之光線的光譜也隨著改變。
更特別地，第5圖之第一列顯示了一連串之三種不同電漿子奈米結構，分別包括具有約為95奈米之相同寬度w之數個正方形基底之數個盒狀柱狀物(box-like pillar)。當第
一列之此些圖片從左往右移動時(每一圖片係對應於具有寬度95奈米之盒狀柱狀物之不同電漿子奈米結構)，介於相鄰柱狀物之間的間距px、py由150奈米(最左邊圖片)增加至300奈米(最右邊圖片)。如第一列之右手邊的圖片502內所示情形，改變介於相鄰柱狀物之間距可改變穿過彩色濾光物之光線量，且亦可改變了穿透濾光物之光線波長。第二列顯示了具有約為130奈米之一寬度以及由200奈米改變至450奈米之一間距之數個柱狀物及其對應之穿透光譜504。第三列顯示了具有約為180奈米之一寬度以及間距由300奈米改變至540奈米之數個柱狀物及其對應之穿透光譜506。因此，第5圖顯示了尺寸與結構之間的間距如何改變穿透/集中光線之光譜之一範例。
雖然第5圖顯示了於電漿子奈米結構內採用數個盒狀柱狀物之一範例，於其他奈米結構內亦可採用如長方形、圓形、橢圓形、多邊形、或其他形狀之柱狀物。此些奈米結構之單獨結構可由如銀、金、鋁、銅、鉑、鈀及/或鎳之金屬所形成。此金屬可按照如網格狀、一系列之柱狀物、一系列之柵狀物或孔洞、一粒子陣列物或一隨意分佈方式而設置。於部分之實施例中，各別之奈米結構的寬度可介於約5-500奈米，而相鄰之奈米結構之相距約5-1000奈米。
第6A-6C圖顯示了多個不同實施例之光電轉換層(例如第2圖之214或第4圖內之414)之剖面圖。一般來說，光電轉換層包括一P型層與一N型層。於部分實施例中，P型層係直接接觸了N型層以形成一P-N接面(p-n junction)，但於其他實施例中於此P型層與N型層之間係設置有一本徵半導體
層(intrinsic semiconductor layer)以形成一PIN接面(p-i-n junction)。
更特別地，第6A圖顯示了設置於一上方(例如透明)電極604與一下方電漿子奈米結構電極606之間之一光電轉換層602。此光電轉換層602包括一電洞傳輸/電子阻障層608、一P型有機層610、與一N型電洞阻障層612。於操作時，上方電極604可作為一陽極，而下方電極606可作為一陰極。
此電漿子奈米結構電極606可由一金屬所製成，例如銀、金、鋁、銅、鉑、鈀及/或鎳之金屬。如第6A圖內所示之電漿子奈米結構可依照一網格狀設置之一系列柱狀物，但亦可為一系列之柵狀物或孔洞、一粒子陣列物或一隨意分佈等方式而設置。於部分之實施例中，各別之奈米結構的寬度可介於約5-500奈米，而相鄰之奈米結構之間相距約5-1000奈米。
電洞傳輸/電子阻障層608可由一N型氧化物所形成，例如為氟化鋰、PCBM、或一高介電常數介電層(例如Ta2O5、TiO2、SnO2)。
P型有機層610可包括有機共軛聚合物(organic conjugated polymer)與小分子。
電洞傳輸/電子阻障層608可包括PEDOT：PSS、高介電常數介電材料(例如為MoO3、NiO、CuO、WO3、V2O5)。
上方透明電極604可包括銦錫氧化物(ITO)、氧化錫氟(FTO)、氧化鋅鋁(AZO)、及/或銦鎵鋅氧化物(IGZO)。雖然上方透明電極604係繪示為一平坦膜層，上方透明電極604亦可由一電漿子奈米結構所製成。此些電漿子奈米結構可按照
如網格狀、一系列之柱狀物、一系列之柵狀物或孔洞、一粒子陣列物或一隨意分佈方式而設置。上方透明電極604之電漿奈米結構可如底電極606般為相同尺寸、形狀與間距，或具有不同於底電極606之一尺寸、形狀與間距。
第6B圖顯示了另一範例之光電轉換層620，其係設置於上方(例如透明)電極622與一下方電漿子奈米結構電極624之間。光電轉換層620包括一電洞傳輸/電子阻障層626、一P型有機層628以及一N型電洞阻障層630。於操作時，上方電極622可作為一陽極，而底電極624可作為一陰極。
電漿子奈米結構電極624可由如銀、金、鋁、銅、鉑、鈀及/或鎳之金屬所製成。於第6B圖之實施例中，電漿子奈米結構電極624包括依照一規則間隔或非規則間隔(例如隨機)方式設置於電漿子奈米結構電極之上方平坦表面上之一系列之球狀、棍狀或其他圓滑狀結構(rounded structures)。於部分實施例中，各別之奈米結構的寬度可介於約5-500奈米，而相鄰之奈米結構之間相距約5-1000奈米。此些球狀、圓柱或其他結構可噴灑至上方平坦表面之上，或可藉由如旋轉塗佈之一方式施加包含此些結構之一溶液所形成。
第6C圖顯示了另一範例之光電轉換層640，其係設置於一上方(例如透明)電極642與一下方電漿子奈米結構電極644之間。光電轉換層640包括一電洞傳輸/電子阻障層646、一P型有機層648以及一N型電洞阻障層650。於操作時，上方電極642可作為一陽極，而底電極644可作為一陰極。
電漿子奈米結構電極644可由如銀、金、鋁、銅、
鉑、鈀及/或鎳之金屬所製成。於第6C圖之實施例中，電漿子奈米結構電極644包括懸浮於P型有機層648內之球狀、棍狀或其他圓滑狀結構(rounded structures)之方式所形成。此些懸浮之球狀、圓柱或其他結構可藉由如旋轉塗佈之一方式而施加包括此些結構之溶液至電極644之一平坦部上而形成。
如此，值得注意的是，此些實施例係關於一光學感測器。此光學感測器包括：一第一電極，設置於一半導體基板上；一光電轉換元件，包括一P型層與一N型層，設置於該第一電極上，以轉換具有波長位於一特定波長範圍內之一或多個光子成為一電子訊號；一第二電極，設置於該光電轉換元件上，其中該第二電極於該特定波長範圍內為透明的；以及一彩色濾光元件，由複數個電漿子奈米結構所製成，設置於該第二電極之上。
部分實施例則關於另一光學感測器。於此光學感測器中，一第一電極設置於一半導體基板上；一光電轉換元件，包括一P型層與一N型層，設置於該第一電極上，以轉換具有波長位於一特定波長範圍內之一或多個光子成為一電子訊號；以及一第二電極，設置於該光電轉換元件上，其中該第二電極於該特定波長範圍內為透明的，其中該第一電極與該第二電極係分別由複數個電漿子奈米結構所製成。
部分實施例則關於又一光學感測器。於此光學感測器中，複數個光電轉換元件之一陣列物，設置於一半導體基板上；複數個電漿子彩色濾光物之一陣列物，設置於該些光電轉換元件之該陣列物上，其中該些電漿子彩色濾光物分別設置
於該些光電轉換元件之上；以及一側壁反射物，設置於該光電轉換元件之一邊界，且用以重新導向依照非垂直角度而穿透彩色濾光元件之光子朝向該光電感測器之該光電轉換元件，其中該側壁反射物包括一金屬核心物及塗佈於其一側壁上之一介電塗層。
今天雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
200‧‧‧光學感測器
212‧‧‧第一電極
214‧‧‧光電轉換層
216‧‧‧第二電極
216a‧‧‧表面
218a‧‧‧側壁反射物
218b‧‧‧側壁反射物
220a‧‧‧垂直入射光
220b‧‧‧散射或放射光線
220c‧‧‧重新導引回朝向光電轉換層前進之光線
Claims (10)
- 一種光學感測器，包括：一第一電極，設置於一半導體基板上；一光電轉換元件，包括一P型層與一N型層，設置於該第一電極上，以轉換具有波長位於一特定波長範圍內之一或多個光子成為一電子訊號；一第二電極，設置於該光電轉換元件上，其中該第二電極於該特定波長範圍內為透明的；以及一彩色濾光元件，由複數個電漿子奈米結構所製成，設置於該第二電極之上。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，其中該第一電極、該光電轉換元件、該第二電極、與該彩色濾光元件分別橫向地連結於一邊界，該邊界自該彩色濾光元件之一外部區垂直延伸至該第一電極之一外部區。
- 如申請專利範圍第2項所述之光學感測器，更包括：一側壁反射物，設置於該邊界處且用以重新導向依照非垂直角度而穿透彩色濾光元件之光子朝向該光學感測器之該光電轉換元件。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，其中該第一電極與該第二電極係由該些電漿子奈米結構所製成。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，更包括：一讀出電路，位於該基板內且位於該光電轉換元件之下。
- 一種光學感測器，包括：一第一電極，設置於一半導體基板上； 一光電轉換元件，包括一P型層與一N型層，設置於該第一電極上，以轉換具有波長位於一特定波長範圍內之一或多個光子成為一電子訊號；以及一第二電極，設置於該光電轉換元件上，其中該第二電極於該特定波長範圍內為透明的，其中該第一電極與該第二電極係分別由複數個電漿子奈米結構所製成。
- 如申請專利範圍第6項所述之光學感測器，更包括：一彩色濾光元件，由數個電漿子奈米結構所製成且設置於該第二電極之上。
- 如申請專利範圍第7項所述之光學感測器，更包括：一側壁反射物，設置於自該彩色濾光元件之一外部區垂直延伸至該第一電極之一外部區之一邊界處。
- 一種光學感測器，包括：複數個光電轉換元件之一陣列物，設置於一半導體基板上；複數個電漿子彩色濾光物之一陣列物，設置於該些光電轉換元件之該陣列物上，其中該些電漿子彩色濾光物分別設置於該些光電轉換元件之上；以及一側壁反射物，設置於該光電轉換元件之一邊界，且用以重新導向依照非垂直角度而穿透電漿子彩色濾光物之光子朝向該光學感測器之該光電轉換元件，其中該側壁反射物包括一金屬核心物及塗佈於其一側壁上之一介電塗層。
- 如申請專利範圍第9項所述之光學感測器，其中該些電漿子彩色濾光物之該陣列物包括至少三個不同設置情形之奈米結構，其中該三個奈米結構之設置情形分別包括具有一寬 度或介於相鄰奈米結構間之一間距不同於其他奈米結構設置情形之複數個奈米結構。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US13/934,296 US8816358B1 (en) | 2013-07-03 | 2013-07-03 | Plasmonic nanostructures for organic image sensors |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201503336A TW201503336A (zh) | 2015-01-16 |
| TWI536552B true TWI536552B (zh) | 2016-06-01 |
Family
ID=51358526
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW103112656A TWI536552B (zh) | 2013-07-03 | 2014-04-07 | 光學感測器 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8816358B1 (zh) |
| TW (1) | TWI536552B (zh) |
Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160111460A1 (en) * | 2008-09-04 | 2016-04-21 | Zena Technologies, Inc. | Back-lit photodetector |
| US9258536B2 (en) * | 2012-05-03 | 2016-02-09 | Semiconductor Components Industries, Llc | Imaging systems with plasmonic color filters |
| US9645075B2 (en) * | 2013-11-26 | 2017-05-09 | nanoLambda Korea | Multispectral imager with hybrid double layer filter array |
| JP2015179731A (ja) * | 2014-03-19 | 2015-10-08 | 株式会社東芝 | 固体撮像装置 |
| US9991307B2 (en) | 2015-04-16 | 2018-06-05 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Stacked grid design for improved optical performance and isolation |
| US20160307942A1 (en) * | 2015-04-16 | 2016-10-20 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Deeply buried color filter array (cfa) by stacked grid structure |
| KR102373329B1 (ko) * | 2015-04-30 | 2022-03-11 | 삼성디스플레이 주식회사 | 유기 발광 표시 장치 |
| US10535701B2 (en) | 2016-01-12 | 2020-01-14 | Omnivision Technologies, Inc. | Plasmonic-nanostructure sensor pixel |
| CN107154428B (zh) * | 2016-03-03 | 2019-12-24 | 上海新昇半导体科技有限公司 | 互补纳米线半导体器件及其制备方法 |
| KR102294845B1 (ko) * | 2016-08-02 | 2021-08-30 | 삼성전자주식회사 | 광학필터, 광학 디바이스, 및 광학필터의 제조방법 |
| DE102016217846A1 (de) * | 2016-09-19 | 2018-03-22 | Robert Bosch Gmbh | Fabry-Pérot-Interferometer-Einheit, Verfahren zum Betreiben einer Fabry-Pérot-Interferometer-Einheit und Verfahren zum Herstellen einer Fabry-Pérot-Interferometer-Einheit |
| US10553733B2 (en) | 2016-11-29 | 2020-02-04 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | QE approach by double-side, multi absorption structure |
| GB201700960D0 (en) | 2017-01-20 | 2017-03-08 | King S College London | Plasmonic metamaterial structure |
| US20180315791A1 (en) | 2017-04-30 | 2018-11-01 | Himax Technologies Limited | Image sensor structure |
| US10304885B1 (en) * | 2017-11-15 | 2019-05-28 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Color filter uniformity for image sensor devices |
| US20190189840A1 (en) * | 2017-12-18 | 2019-06-20 | National Cheng Kung University | Method of transferring nanostructures and device having the nanostructures |
| US10777609B1 (en) * | 2019-04-01 | 2020-09-15 | Visera Technologies Company Limited | Optical devices with light collection elements formed in pixels |
| JP2021068816A (ja) * | 2019-10-24 | 2021-04-30 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 撮像装置 |
| US12048172B2 (en) | 2021-09-03 | 2024-07-23 | Visera Technologies Company Limited | Solid-state image sensor |
| US20230317751A1 (en) * | 2022-03-31 | 2023-10-05 | Visera Technologies Company Ltd. | Image sensor and method of manufacturing the same |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101917752B1 (ko) * | 2011-05-11 | 2018-11-13 | 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 | 발광 소자, 발광 모듈, 발광 패널, 발광 장치 |
-
2013
- 2013-07-03 US US13/934,296 patent/US8816358B1/en active Active
-
2014
- 2014-04-07 TW TW103112656A patent/TWI536552B/zh active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US8816358B1 (en) | 2014-08-26 |
| TW201503336A (zh) | 2015-01-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI536552B (zh) | 光學感測器 | |
| US10566365B2 (en) | Image sensor | |
| CN105789362B (zh) | 影像感测器 | |
| US11177303B2 (en) | Image sensor and semiconductor structure | |
| US10812738B2 (en) | Electronic device configured to reduce light loss of possible light image and obtain distance information of an object | |
| CN108074942A (zh) | 光学感测器 | |
| US10084018B2 (en) | Image sensor and electronic device including the same | |
| CN106992193A (zh) | 图像传感器 | |
| US20160087012A1 (en) | Image sensor and electronic device including the same | |
| US9853082B2 (en) | Color filter array and micro-lens structure for imaging system | |
| CN105390511A (zh) | 影像感测装置及其制造方法 | |
| CN105097853B (zh) | 图像感测装置 | |
| US8952310B2 (en) | Plasmonic light sensors | |
| CN100477246C (zh) | 影像感测器及其制造方法 | |
| TWI539584B (zh) | 具增進的收光效率的前感光式半導體結構及其製作方法 | |
| KR101434716B1 (ko) | 적층형 이미지 센서 및 그의 형성 방법 | |
| CN112018148A (zh) | 显示面板及显示装置 | |
| Isono et al. | A 0.9 µm pixel size image sensor realized by introducing organic photoconductive film into the BEOL process | |
| Sung et al. | Low-bias, broadband photodetection enabled by MAPbI3/black silicon dual-mode photodetector for compact optoelectronic platforms | |
| KR20240093319A (ko) | 가시광의 단파장 영역의 감도를 향상시킬 수 있는 포토 다이오드 및 그 제조 방법 | |
| CN117810275A (zh) | 光电探测器 | |
| CN119174303A (zh) | 使用有金属栅格透明电极的光电检测器元件和使用其的非触摸式用户界面装置 | |
| KR100731126B1 (ko) | 이미지 센서 및 이의 제조 방법 | |
| KR100875155B1 (ko) | 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조 방법 | |
| FR3134233A1 (fr) | Capteur d'image |