TWI678518B - 半導體光學感測器 - Google Patents
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Abstract
一種半導體光學感測器，包含複數感測單元，用來感測一入射光訊號以產生一電訊號，其中一感測單元包含：一基板；一感光元件，其材料與該基板的材料不同，用來將該入射光訊號轉換為該電訊號；一透鏡，其材料包含與該基板相同的材料，用來改變該入射光訊號之傳輸路徑，以將該入射光訊號導向該感光元件；以及一光屏蔽元件，圍繞該感光元件，用來改變該入射光訊號經過該透鏡後之傳輸路徑或傳輸距離，以避免該入射光訊號到達該感測單元之一相鄰感測單元之感光元件。
Description
本發明是關於半導體光學感測器，尤其是關於具有光屏蔽結構的半導體光學感測器。
一般而言，光學感測器將透鏡、感光元件、金屬繞線等元件製作並整合於一感光系統結構中。入射光訊號先經由透鏡聚焦，而後由感光元件吸收並轉換為電訊號，電訊號再經由金屬繞線傳輸至後級的電路以進行電性分析或處理。然而，入射光訊號可能無法完全被感光元件吸收，造成入射光訊號發散至半導體結構中的其他部位，此時如果光學感測器包含複數感測單元所構成的陣列，則發散的入射光會造成感測單元之間的串音干擾（crosstalk），影響光學感測器的感測結果。
鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種半導體光學感測器，以提高聚光能力與減低串音干擾並提升感測效能。
本發明揭露了一種半導體光學感測器，包含複數感測單元，用來感測一入射光訊號以產生一電訊號，其中一感測單元包含：一基板；一感光元件，其材料與該基板的材料不同，用來將該入射光訊號轉換為該電訊號；一透鏡，其材料包含與該基板相同的材料，用來改變該入射光訊號之傳輸路徑，以將該入射光訊號導向該感光元件；以及一光屏蔽元件，圍繞該感光元件，用來改變該入射光訊號經過該透鏡後之傳輸路徑或傳輸距離，以避免該入射光訊號到達該感測單元之一相鄰感測單元之感光元件。
本發明另揭露了一種半導體光學感測器，用來感測一入射光訊號以產生一電訊號，包含：一基板；一感光元件，其材料與該基板的材料不同，用來將該入射光訊號轉換為該電訊號；一透鏡，其材料包含與該基板相同的材料，用來改變該入射光訊號之傳輸路徑，以將該入射光訊號導向該感光元件；一光侷限元件，位於該感光元件的側面並且與該感光元件位於同一平面，用來吸收或反射經過該透鏡後之該入射光訊號；以及一光反射元件，位於該感光元件的上方，用來反射經過該感光元件後之該入射光訊號。
本發明之半導體光學感測器能夠有效減少入射光訊號散射至鄰近的感測單元，因此可以降低感測單元之間的串音干擾並減少暗電流。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。
本發明之揭露內容包含半導體光學感測器，其具有良好的光侷限及/或光反射結構以避免入射光散射，因此可減低串音干擾。在實施為可能的前提下，本技術領域具有通常知識者能夠依本說明書之揭露內容來選擇等效之元件來實現本發明，亦即本發明之實施並不限於後敘之實施例。
圖1A係本發明半導體光學感測器之一實作方式的立體結構圖，圖1B為圖1A之橫截面圖。半導體光學感測器10由複數個感測單元100所組成，複數個感測單元100以陣列的形式排列，圖中僅繪示某一列中三個相鄰的感測單元100之完整或局部結構。位於基板120下方的半球狀構造係感測單元100的透鏡110，透鏡110的材料可以與基板120相同（例如是矽、絕緣層覆矽（silicon on insulator, SOI）、磷化銦（InP）、碳化矽（SiC）等，但不以此為限），製作時可以藉由在同一塊基材上以半導體製程的方法（例如蝕刻、壓印（imprinting）或圖案轉印（pattern transfer）等技術，不以此為限）製作出透鏡110。因為透鏡110與基板120的材料相同，透鏡110可以由半導體製程技術所完成，而達到降低成本之功效。同時透鏡110與基板120之間的對準步驟可以利用半導體製程中的黃光微影技術來完成，所以製程上相對簡單以及更為精準。在其他實施例中，透鏡110的材料也可以與基板120不同。感測單元100的感光元件130製作於基板120的上表面，入射光訊號（如圖1A所示之箭頭L）經過透鏡110後聚焦在感光元件130上，然後經由感光元件130轉換成電訊號。
相鄰的感光元件130之間存在有光侷限結構140，光侷限結構140可以避免應該由某一感測單元100吸收的入射光訊號散射至其鄰近的感測單元100。在此實施例中，相鄰的感光元件130共用位於兩者之間的光侷限結構140；光侷限結構140與感光元件130同樣製作於基板120的上表面，而且光侷限結構140與感光元件130的材料相同，因此可以吸收散射的入射光訊號以縮短其傳輸距離，達到將入射光訊號侷限在個別的感測單元100之內的效果，以減低串音干擾。在一個實施例中，如圖1B所示，光侷限結構140與感光元件130的高度相同，也就是兩者可以在同樣的半導體製程步驟中同時生成（例如在同一個沉積步驟中），之後再藉由微影與蝕刻定義出兩者的範圍；然而在其他的實施例中，光侷限結構140的高度可以高於或低於感光元件130，以得到不同的光侷限效果。
每一個感測單元100還包含光反射結構150，其位於感光元件130的上方，也就是對基板120而言相對於透鏡110的另一側。更明確地說，光反射結構150製作於介電層160的上方（為了在立體圖中清楚呈現各主要元件的相對位置，圖1A中省略介電層160），介電層160可以是半導體中常見的介電材料，例如二氧化矽（SiO2
）等。光反射結構150的功用主要在於反射未被或是未完全被感光元件130吸收的入射光訊號，亦即改變入射光訊號的傳輸方向，如此一來入射光訊號可以有再次被感光元件130吸收的機會，以提高感光元件130的光電轉換效能，亦即提高感測單元100的感測能力。介電層160之厚度可依入射光訊號的波長、介電質的折射率與光反射結構150的材料而調整，以達到最佳反射效果。光反射結構150的材料可以例如是導電性材料、介電材料、半導體材料或其任意組合；在一個實施例中，當光反射結構150以金屬實作時，其與感光元件130之間可以透過導線（圖未示）連接，如此一來光反射結構150除了作為反射光訊號之用，還可以作為電極，用來跟半導體結構中其他的電子元件連接，例如電容、電阻、電感、電晶體等，這些電子元件可能製作於基板120的表面或是基板120的內部。
上述的感光元件130及光侷限結構140也可製作於基板120之中。如圖2所示，半導體光學感測器20的感光元件130及光侷限結構140內嵌於基板120之中，此時光反射結構150可以直接製作於基板120的上表面。透鏡110位於基板120的下表面，與基板120依舊為以同樣材料所製成的一體結構。圖中繪示感光元件130及光侷限結構140的高度小於基板120的厚度，然而在不同的實施例中，感光元件130及光侷限結構140的高度可以等於基板120的厚度，也就是感光元件130露出於基板120的上表面，直接與光反射結構150接觸，因此可以進一步避免入射光訊號散射，而且當光反射結構150以導電材料實作時，可以同時達到感光元件130與光反射結構150之間電性耦合的效果。
圖3A係本發明半導體光學感測器之另一實作方式的立體結構圖，圖3B為圖3A之橫截面圖。半導體光學感測器30由複數個感測單元300所組成，複數個感測單元300以陣列的形式排列，圖中僅繪示某一列中三個相鄰的感測單元300之完整或局部結構。位於基板320下方的半球狀構造係感測單元300的透鏡310，透鏡310的材料可以與基板320相同或不同。感測單元300的感光元件330製作於基板320的上表面，入射光訊號經過透鏡310後聚焦在感光元件330上，然後經由感光元件330轉換成電訊號。
同樣的，為了防止感測單元300之間的串音干擾，相鄰的感光元件330之間以光侷限結構340區隔。在此實施例中，光侷限結構340圍繞在感光元件330的外圍，以防止入射光訊號散射。每個感測單元300有專屬的光侷限結構340，也就是說相鄰的感測單元300不共用光侷限結構340，而在半導體光學感測器10或20中，相鄰的100係共用光侷限結構140。光侷限結構340的材料可以相同或不同於與感光元件330的材料，在一個實施例中，光侷限結構340係以導電性材料做成，其可藉由反射將光訊號侷限在感測單元300中，同樣地，當光侷限結構340以導電性材料製作時，光侷限結構340可以作為感測單元300的電極，用來與外部的電路形成電連接，而感光元件330與光侷限結構340之間可以藉由金屬繞線連接，或是藉由在基板320上位於兩者之間的區域進行摻雜，以形成兩者之間的電連接。
每一個感測單元300還包含光反射結構350，其位於感光元件330的上方，也就是對基板320而言相對於透鏡310的另一側。更明確地說，光反射結構350製作於介電層360的上方（為了在立體圖中清楚呈現各主要元件的相對位置，圖3A中省略介電層360），介電層360可以是半導體中常見的介電材料，例如二氧化矽等。光反射結構350的功用主要在於反射未被或未完全被感光元件330吸收的入射光訊號，如此一來入射光訊號可以有再次被感光元件330吸收的機會，以提高感光元件330的光電轉換效能，亦即提高感測單元300的感測能力。介電層360之厚度可依入射光訊號的波長、介電質的折射率與光反射結構350的材料而調整，以達到最佳反射效果。光反射結構350的材料可以例如是導電性材料、介電材料、半導體材料或其任意組合；在一個實施例中，當光反射結構150以導電性材料實作時，其與感光元件130之間可以透過導線（圖未示）連接，如此一來光反射結構350除了作為反射光訊號之用，還可以作為電極，用來跟半導體結構中其他的電子元件連接。上述的光侷限結構340與光反射結構350可以在半導體製程的同一個步驟中完成或是在不同的步驟中完成。
在此實施例中，光侷限結構340的高度大於等於感光元件330與光反射結構350的厚度總和，也就是說，假設光侷限結構340的上方有一個平行於基板320的上表面並與光侷限結構340接觸的平面，則感光元件330與光反射結構350位於光侷限結構340與該平面所圍繞的空間中。在不同的實施例中，光反射結構350同時覆蓋感光元件330及光侷限結構340，如圖4的半導體光學感測器40所示；或是光反射結構350不覆蓋光侷限結構340，且光侷限結構340的高度亦不足以將光反射結構350圍繞其中，如圖5的半導體光學感測器50所示。
在其他的實施例中，只要材料及製程允許，不論是半導體光學感測器10、30、40或50，光反射結構150（或光反射結構350）可以直接製作於感光元件130（或感光元件330）的上表面，也就是光反射結構150（或光反射結構350）與感光元件130（感光元件330）兩者互相接觸，中間不存在介電層160（或介電層360）；在半導體光學感測器40的結構中，光反射結構350可同時與感光元件330及光侷限結構340接觸。再者，類似於圖2的半導體光學感測器20，半導體光學感測器30、40或50的感光元件330及光侷限結構340可以完全或部分內嵌於基板320中。
在圖1至圖5的實施例中，感光元件130（或感光元件330）及光侷限結構140（或光侷限結構340）實質上位於同一平面，以提供良好的光侷限效果。
圖6A係本發明半導體光學感測器之另一實作方式的立體結構圖，圖6B為圖6A之橫截面圖。半導體光學感測器60由複數個感測單元600所組成，複數個感測單元600以陣列的形式排列，圖中僅繪示某一列中三個相鄰的感測單元600之完整或局部結構。位於基板620下方的半球狀構造係感測單元600的透鏡610，透鏡610的材料可以與基板620相同或不同。感測單元600的感光元件630製作於基板620的上表面，入射光訊號經過透鏡610後聚焦在感光元件630上，然後經由感光元件630轉換成電訊號。
同樣的，為了防止感測單元600之間的串音干擾，感光元件630除了與基板620接觸的一面之外，被光屏蔽結構640所包覆。此處所謂的包覆可以是光屏蔽結構640與感光元件630的表面完全接觸（如圖6A及6B所示），或是光屏蔽結構640與感光元件630的表面部分接觸或是不接觸。光屏蔽結構640同時在感光元件630的側面及上面侷限光的傳輸，亦即光屏蔽結構640事實上同時包含光侷限結構140（或光侷限結構340）及光反射結構150（或光反射結構350）的功能；如此一來，穿過感光元件630而從其側面及上表面射出的入射光訊號皆會被光屏蔽結構640反射或吸收，以避免入射光訊號散射。每個感測單元600有專屬的光屏蔽結構640，也就是說相鄰的感測單元600不共用光屏蔽結構640。光屏蔽結構640的材料可以例如是導電性材料、介電材料、半導體材料或其組合；在一個實施例中，光屏蔽結構640係以導電性材料做成，其可藉由反射將入射光訊號侷限在感測單元600中，同樣地，當光屏蔽結構640以導電性材料做成時，光屏蔽結構640可以作為感測單元600的電極，用來與外部的電路形成電連接。
類似地，感光元件630及光屏蔽結構640可以完全或部分內嵌於基板620中。
上述的透鏡110、透鏡310及透鏡610不限於球形結構，可以是任何具有光學擾動（optical perturbation）功能的結構，例如非球形或光子晶體的結構，其所產生的光學擾動包含但不限於反射、傳送、聚焦、對準（collimation）及繞射。透鏡的表面還可藉由額外的製程微調來增強其光學擾動的能力。另外，上述光侷限結構340及光屏蔽結構640的結構不以圓形為限，還可以例如是橢圓形、矩形等形狀。
半導體光學感測器10中的光侷限結構140及光反射結構150可以視為圍繞在感光元件130周圍的光屏蔽結構（同理，光侷限結構340及光反射結構350可以視為感光元件330的光屏蔽結構），目的在於侷限已經過透鏡110及/或感光元件130的入射光訊號，以避免該入射光訊號未被或未完全被感光元件130吸收時，散射至鄰近的感測單元100，以降低串音干擾。
上述的基板與感光元件之間（即基板120與感光元件130之間、基板320與感光元件330之間、基板620與感光元件630之間）的材料選擇與組合與半導體光學感測器所欲感測的光訊號有關，例如基板的折射率必須配合光訊號的波長，亦必須同時兼顧與感光元件的材料之間的相容性。在一個實施例中，基板的材料的能隙（bandgap）大於感光元件的材料的能隙，例如基板以矽所製成，感光元件以鍺所製成，此種材料組合使半導體光學感測器可以用於感測近紅外光（near infrared）波段的光訊號（波長範圍：0.75~1.4微米）；在其他實施例中，基板材料與感光元件材料之間的差異可能來自於各自的化學元素組成、異質摻雜（extrinsic doping）、缺陷導入等。
參見圖7，為本發明半導體光學感測器之製作流程圖。本發明半導體光學感測器之範例性製程如下所述。首先形成感光元件及光侷限元件（步驟701）。依據一些實施方式，感光元件可由在基板頂部一區域內選擇性成長鍺基光吸收材料，或是在基板頂部整個表面上磊晶成長鍺基光吸收材料。光侷限元件可在製作感光元件時同時製作，亦即刻意在感光元件附近留下部份光吸收材料以吸收未被感光元件吸收之光。依據一些實施方式，光侷限元件可由沈積光反射材料或是光吸收材料製作，且可在製作感光元件之前或是之後製作。依據一些實施方式，在形成鍺基光吸收材料之後，可沈積介電材料或是半導體材料以包圍此感光元件，然後再沈積光吸收材料（如鍺）或是光反射材料（如鋁）。在形成感光元件及光侷限元件之後，可在感光元件之上沈積光反射材料以形成光反射元件（步驟702）。然後所得結構再接合至另一主基板，亦即將接近光反射元件之頂表面接合到主基板之表面（步驟703）。此主基板可包含多重金屬繞線或是CMOS元件以提供訊號之後續處理。上述之結合方式可為金屬至金屬結合，氧化物至氧化物結合或是其他結合機制。在晶圓結合製程後，將此光學元件翻轉且去除原有基板之大部分材料，再利用灰階罩暮(grey scale mask)或是奈米壓印(nanoimprinting)等方式製作透鏡（步驟704）。依據一些實施方式，在移除原有基板之大部分材料之後，也可由沈積或是接合方式製作此透鏡。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
10、20、30、60‧‧‧半導體光學感測器
100、300、600‧‧‧感測單元
110、310、610‧‧‧透鏡
120、320、620‧‧‧基板
130、330、630‧‧‧感光元件
140、340‧‧‧光侷限結構
150、350‧‧‧光反射結構
160、360‧‧‧介電層
640‧‧‧光屏蔽結構
L‧‧‧入射光訊號
701~704‧‧‧步驟
圖1A為本發明半導體光學感測器之一實作方式的立體結構圖；
圖1B為圖1A之橫截面圖；
圖2為本發明半導體光學感測器之另一實作方式的橫截面圖；
圖3A為本發明半導體光學感測器之另一實作方式的立體結構圖；
圖3B為圖3A之橫截面圖；
圖4為本發明半導體光學感測器之另一實作方式的橫截面圖；
圖5為本發明半導體光學感測器之另一實作方式的橫截面圖；
圖6A為本發明半導體光學感測器之另一實作方式的立體結構圖；
圖6B為圖6A之橫截面圖；以及
圖7為本發明半導體光學感測器之製作流程圖。
Claims (20)
- 一種半導體光學感測器，包含複數感測單元，用來感測一入射光訊號以產生一電訊號，其中一感測單元包含：一基板；一感光元件，其材料與該基板的材料不同，用來將該入射光訊號轉換為該電訊號；一透鏡，其材料包含與該基板相同的材料，用來改變該入射光訊號之傳輸路徑，以將該入射光訊號導向該感光元件；以及一光屏蔽元件，圍繞該感光元件，用來改變該入射光訊號經過該透鏡後之傳輸路徑或傳輸距離，以避免該入射光訊號到達該感測單元之一相鄰感測單元之感光元件；其中該光屏蔽元件具有位於該感光元件的上方之一光反射元件。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體光學感測器，其中該光屏蔽元件包含：一光侷限元件，位於該感光元件的側面，並且實質上與該感光元件位於同一平面。
- 如申請專利範圍第2項所述之半導體光學感測器，其中該光侷限元件的材料與該感光元件相同。
- 如申請專利範圍第3項所述之半導體光學感測器，其中該光侷限元件與該感光元件以同一半導體製程步驟完成，且兩者的厚度實質相同。
- 如申請專利範圍第2項所述之半導體光學感測器，其中該光侷限元件以導電性材料製成，並與該感光元件電連接，以作為該感測單元的電極。
- 如申請專利範圍第2項所述之半導體光學感測器，其中該光反射元件以導電性材料製成，並與該感光元件電連接，以作為該感測單元的電極。
- 如申請專利範圍第2項所述之半導體光學感測器，其中該感光元件位該基板相對於該透鏡之另一側的表面，且該光侷限元件製作於該基板與該感光元件同側的表面。
- 如申請專利範圍第2項所述之半導體光學感測器，其中該感光元件內嵌於該基板，且該光侷限元件至少一部分內嵌於該基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體光學感測器，其中該光屏蔽元件以導電性材料製成，並與該感光元件電連接，以作為該感測單元的電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體光學感測器，其中該基板的材料的能隙大於該感光元件的材料的能隙。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體光學感測器，其中該基板的材料為矽，該感光元件的材料為鍺。
- 一種半導體光學感測器，用來感測一入射光訊號以產生一電訊號，包含：一基板；一感光元件，其材料與該基板的材料不同，用來將該入射光訊號轉換為該電訊號；一透鏡，其材料包含與該基板相同的材料，用來改變該入射光訊號之傳輸路徑，以將該入射光訊號導向該感光元件；一光侷限元件，位於該感光元件的側面並且與該感光元件位於同一平面，用來吸收或反射經過該透鏡後之該入射光訊號；以及一光反射元件，位於該感光元件的上方，用來反射經過該感光元件後之該入射光訊號。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體光學感測器，其中該光侷限元件的材料與該感光元件相同。
- 如申請專利範圍第13項所述之半導體光學感測器，其中該光侷限元件與該感光元件以同一半導體製程步驟完成，且兩者的厚度實質相同。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體光學感測器，其中該光侷限元件以導電性材料製成，並與該感光元件電連接，以作為該感光元件的電極。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體光學感測器，其中該光反射元件以導電性材料製成，並與該感光元件電連接，以作為該感光元件的電極。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體光學感測器，其中該感光元件位該基板相對於該透鏡之另一側的表面，且該光侷限元件製作於該基板與該感光元件同側的表面。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體光學感測器，其中該感光元件內嵌於該基板，且該光侷限元件至少一部分內嵌於該基板。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體光學感測器，其中該基板的材料的能隙大於該感光元件的材料的能隙。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體光學感測器，其中該基板的材料為矽，該感光元件的材料為鍺。
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