TWI777270B - 光學裝置 - Google Patents

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Abstract

一種光學裝置，包括第一導電層、第一接面層、第一光吸收層、第二接面層與第二導電層。第一接面層配置在第一導電層上。第一光吸收層配置在第一接面層上，其中光吸收層包括多個晶元格，每一晶元格包括多個柱狀結構，每一晶元格之柱狀結構的尺寸不同。第二接面層配置在光吸收層上。第二導電層配置在第二接面層上。

Description

光學裝置
本發明關於一種光學裝置，特別是關於一種具有高空間解析度(high spatial resolution)的光學裝置。
光學感測器，例如光譜感測器(spectrometer)或是影像感測器，用以偵測光線或是取得一物體之影像。光學感測器一般安裝於如光譜儀或是相機等電子裝置。對於光學感測器來說，空間解析度是重要的。因此，如何有效地增加空間解析度將成為各家廠商之技術改善的重點。
本發明提供一種光學裝置，包括第一導電層、第一接面層、第一光吸收層、第二接面層與第二導電層。第一接面層配置在第一導電層上。第一光吸收層配置在第一接面層上，其中光吸收層包括多個晶元格，每一晶元格包括多個柱狀結構，每一之柱狀結構的尺寸不同。第二接面層配置在光吸收層上。第二導電層配置在第二接面層上。
100,600,700,900,1000:光學裝置
110:第一導電層
120:第一接面層
130:第一光吸收層
131_1,131_2,131_3,131_4,131_5,131_6,133_1,133_2,133_3,133_4,133_5,133_6,133_7,133_8,133_9,133_10,133_11,133_12:柱狀結構
140:第二接面層
150:第二導電層
160:基板
610:濾波層
a1:柱狀結構的尺寸
a2:柱狀結構的最大設定範圍
D:柱狀結構之尺寸的寬度
S11,S12,S13,S14,S15,S16,S21,S22,S2,S24,S25,S26,S27,S28,S29,S30,S31,S32:曲線
Vcc:電壓端
X,Z:座標
第1圖為依據本發明之一實施例之光學裝置的剖面示意圖。
第2圖為第1圖之光學裝置的俯視圖。
第3圖為依據本發明之一實施例之光學裝置之光吸收層之折射率的示意圖。
第4A圖為依據本發明之一實施例之色散位移腔及其折射率的對應關係示意圖。
第4B圖為第4A圖之色散的示意圖。
第4C圖為依據本發明之一實施例之色散平面化腔與其折射率的對應關係示意圖。
第4D圖為第4C圖之色散的示意圖。
第5A圖為依據本發明之一實施例之柱狀結構之尺寸的示意圖。
第5B圖為依據本發明之一實施例之將光吸收層所吸收之光轉換成電流的波形圖。
第6A圖為依據本發明之另一實施例之光學裝置的俯視圖。
第6B圖為第6A圖之光學裝置的剖面示意圖。
第7A圖為依據本發明之另一實施例之光學裝置的俯視圖。
第7B圖為第7A圖之光學裝置的剖面示意圖。
第8圖為依據本發明之另一實施例之將光吸收層所吸收之光轉換成電流的波形圖。
第9A圖為依據本發明之另一實施例之光學裝置的俯視圖。
第9B圖為第9A圖之光學裝置的剖面示意圖。
第10A圖為依據本發明之另一實施例之光學裝置的俯視圖。
第10B圖為依據本發明之一實施例之將光吸收層所吸收之光轉換成 電流的波形圖。
本說明書的技術用語參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋以本說明書之說明或定義為準。本揭露之各個實施例分別具有一或多個技術特徵。在可能實施的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施任一實施例中部分或全部的技術特徵，或者選擇性地將這些實施例中部分或全部的技術特徵加以組合。
在以下所列舉的各實施例中，將以相同的標號代表相同或相似的元件或組件。
第1圖為依據本發明之一實施例之光學裝置的剖面示意圖。第2圖為第1圖之光學裝置的俯視圖。在本實施例中，光學裝置100適用於CMOS影像感測器(COMS image sensor,CIS)、環境光感測器(ambient light sensor,ALS)、光譜儀(spectrometer)等。
請參考第1圖與第2圖。光學裝置100包括第一導電層110、第一接面層120、第一光吸收層130、第二接面層140、第二導電層150與基板160。
在本實施例中，第一導電層110的材料可以為氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)且第一導電層110例如耦接至接地端的一接觸電極。第一接面層120配置在第一導電層110上。在本實施例中，第一接面層120可以為p形非晶矽(amorphous silicon,a-Si)。
光吸收層130配置在第一接面層120上。光吸收層 130包括多個晶元格(unit cell)131。每一晶元格131包括多個柱狀結構132_1、132_2、132_3、132_4、132_5與132_6。在本實施例中，每一晶元格131之柱狀結構的數量例如為至少六個。每一晶元格131之格柱狀結構132_1、132_2、132_3、132_4、132_5與132_6的尺寸不同。舉例來說，柱狀結構132_1、132_2、132_3、132_4、132_5與132_6可以依序增加。
例如，柱狀結構132_1的尺寸小於柱狀結構132_2的尺寸。柱狀結構132_2的尺寸小於柱狀結構132_3的尺寸。柱狀結構132_3的尺寸小於柱狀結構132_4的尺寸。柱狀結構132_4的尺寸小於柱狀結構132_5的尺寸。柱狀結構132_5的尺寸小於柱狀結構132_6的尺寸。
在本實施例中，柱狀結構132_1、132_2、132_3、132_4、132_5與132_6的材料可以為非晶矽(a-Si)與非晶矽雜質(amorphous silicon impurities)。因此，每一晶元格131之相應的折射率(refractive index)可以如第3圖所示。在第3圖中，每一晶元格131之折射率例如呈現W形變化。
第二接面層140配置在光吸收層130上。在本實施例中，第二接面層140的材料可以為n型非晶矽。第二導電層150配置在第二接面層140上。在本實施例中，第二導電層150的材料可以為氧化銦錫(ITO)，且第二導電層150例如為耦接至電壓端Vcc的一接觸電極。基板160配置在相對於第一接面層120之第一導電層110的一側上。在本實施例中，基板160的材料例如為玻璃(glass)。光學裝置100透過第一接面層120、光吸收層130與第二接面層140將限制模式波(confinement mode wave)轉換成電流，並透過第一導電 層10與第二導電層150輸出上述電流。
第4A圖為依據本發明之一實施例之色散位移腔及其折射率的對應關係示意圖。第4B圖為第4A圖之色散的示意圖。一般來說，由於波導腔(waveguide cavity)中的色散，光在光傳播中可能會衰減。為了解決波導腔中的色散，可以使用波導腔中的不同折射率(refractive index)，例如色散位移腔(dispersion-shifted cavity,DSC)，如第4A圖所示。透過色散位移腔，色散可以從原始波長(例如虛線)位移至另一波長(例如實線)，如第4B圖所示。因此，原始波長的色散可以接近0。
第4C圖為依據本發明之一實施例之色散平面化腔與其折射率的對應關係示意圖。第4D圖為第4C圖之色散的示意圖。為了解決波導腔中的色散，可以使用波導腔中的不同折射率，例如色散平面化腔(dispersion-flattened cavity,DFC)，如第4C圖所示。透過色散平面化腔，色散可以被平面化(例如實線)，如第4D圖所示。因此，色散可以有效地抑制，亦即在特定波長(certain wavelength)中幾乎沒有色散，使得在波導腔中傳播的光不會衰減。
在本實施例中，光學裝置100之晶元格131可以使用第4A~4D圖的概念。因此，光學裝置100可以有效地抑制光傳播(light propagation)的色散(dispersion)。
第5圖為依據本發明之一實施例之柱狀結構之尺寸的示意圖。在第5A圖，a1表示柱狀結構的尺寸，a2表示柱狀結構的最大設定範圍，且D為柱狀結構之尺寸的寬度。在本實施例中，每一柱狀結構之尺寸的寬度例如小於0.5um。
a1與a2的比率(a1/a2)可以決定柱狀結構所吸收之 光的波長。舉例來說，當a1與a2的比率(a1/a2)為小時，柱狀結構所吸收之光的波長可以較小。當a1與a2的比率(a1/a2)為大時，柱狀結構所吸收之光的波長可以較大。因此，柱狀結構可以吸收光，以在該光之對應波長中產生最大的電流。舉例來說，a1與a2的比率(a1/a2)為46%，柱狀結構可以吸收光，以在該光之對應波長(例如接近550nm)中產生最大的電流。
柱狀結構所轉換之電流可以由如下公式(1)計算。
J ph =q*N ph ~q*(P 2 -P 1 ), (1)
其中，J ph 表示光子電流密度(photon current density)，q表示電荷，N ph 表示入射光子(incident photon)之感應電荷的數量，P 2 表示柱狀結構之頂面的光功率(optical power)，P 1 表示柱狀結構之底面的光功率，(P 2 -P 1 )表示柱狀結構內之現有光能(existing light power)。
在本實施例中，每一柱狀結構所吸收之光的波長會隨著柱狀結構之尺寸改變而改變。此外，當柱狀結構的尺寸為大時，柱狀結構所吸收之光的波長為大，且當柱狀結構的尺存為小時，柱狀結構所吸收之光的波長為小。
舉例來說，柱狀結構132_1所吸收之光的波長會短於柱狀結構132_2所吸收之光的波長。柱狀結構132_2所吸收之光的波長會短於柱狀結構132_3所吸收之光的波長。柱狀結構132_3所吸收之光的波長會短於柱狀結構132_4所吸收之光的波長。柱狀結構132_4所吸收之光的波長會短於柱狀結構132_5所吸收之光的波長。柱狀結構132_5所吸收之光的波長會短於柱狀結構132_6所吸收之光的波長。
第5B圖為依據本發明之一實施例之將光吸收層所吸收之光轉換成電流的波形圖。在本實施例中，光吸收層130所吸收之光的波長範圍例如為450、700nm。在第5B圖中，曲線S11對應於柱狀結構132_1，曲線S12對應於柱狀結構132_2，曲線S13對應於柱狀結構132_3，曲線S14對應於柱狀結構132_4，曲線S15對應於柱狀結構132_5，曲線S16對應於柱狀結構132_6。
柱狀結構132_1可以在曲線S11之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。柱狀結構132_2可以在曲線S12之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。柱狀結構132_3可以在曲線S13之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。
柱狀結構132_4可以在曲線S14可以在曲線S12之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。柱狀結構132_5可以在曲線S15之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。柱狀結構132_6可以在曲線S16之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。
第6A圖為依據本發明之另一實施例之光學裝置的俯視圖。第6B圖為第6A圖之光學裝置的剖面示意圖。請參考第6A圖與第6B圖，光學裝置600與光學裝置100相似。也就是說，光學裝置600包括第1圖之第一導電層110、第一接面層120、光吸收層130’第二接面層140、第二導電層150與基板160，且光學裝置600進一步包括多個濾波層610。
每一濾波層610配置在每一晶元格131之柱狀結構的一部分上。舉例來說，濾波層610配置在每一晶元格131之柱狀結構132_4、柱狀結構132_5與柱狀結構132_6上。
在本實施例中，每一晶元格131之柱狀結構的一部分 (例如柱狀結構132_4、柱狀結構132_5與柱狀結構132_6)具有多個邊帶(side bands)，而這些邊帶小於光吸收層130所吸收之光之波長範圍的一預設波長。在本實施例中，每一濾波層610可以例如包括多層膜(multi-film)。藉由濾波層610，可以有效地抑制柱狀結構132_4、柱狀結構132_5與柱狀結構132_6的邊帶(side band)，以增加光學裝置600的準確性。
第7A圖為依據本發明之另一實施例之光學裝置的俯視圖。第7B圖為第7A圖之光學裝置的剖面示意圖。請參考第7A圖與第7B圖，光學裝置700與光學裝置600相似。光學裝置700與光學裝置600之間的差異在於柱狀結構的排列。也就是說，在光學裝置700中，每兩個晶元格之柱狀結構的一部分彼此相鄰排列。舉例來說，每兩個晶元格131之柱狀結構132_4、柱狀結構132_5與柱狀結構132_6彼此相鄰排列。
光學裝置700也可以包括多個濾波層610每一濾波層610配置在每一晶元格131之柱狀結構的一部分上。舉例來說，濾波層610配置在每一晶元格131之柱狀結構132_4、柱狀結構132_5與柱狀結構132_6上。在本實施例中，每一晶元格131之柱狀結構的一部分(例如柱狀結構132_4、柱狀結構132_5與柱狀結構132_6)具有低於光吸收層130所吸收之光之波長範圍中之預設波長的邊帶。在本實施例中，每一濾波層可以例如包括多層膜。光學裝置700可以達成與光學裝置600的相同效果。另外，可以透過光學裝置700之柱狀結構的排列來簡化形成濾波層610的製程。
第8圖為依據本發明之另一實施例之將光吸收層所吸收之光轉換成電流的波形圖。在本實施例中，光吸收層130所吸 收之光的波長範圍例如為450~700nm，且預設波長為550。
在第8圖中，曲線S11對應於柱狀結構132_1，曲線S12對應於柱狀結構132_2，曲線S13對應於柱狀結構132_3，曲線S14對應於柱狀結構132_4，曲線S15對應於柱狀結構132_5，曲線S16對應於柱狀結構132_6。
相較於第5B圖，由第8圖之曲線S14、S15與S16，可以看出晶元格131之柱狀結構132_4、柱狀結構132_5與柱狀結構132_6的邊帶可以有效地抑制。如此一來，可以增加光學裝置(例如光學裝置600或光學裝置700)的準確性。
第9A圖為依據本發明之另一實施例之光學裝置的俯視圖。第9B圖為第9A圖之光學裝置的剖面示意圖。請參考第9A圖與第9B圖，光學裝置900與光學裝置700相似。光學裝置900與光學裝置700之間的差異在於光學裝置900不包括濾波層610。
在本實施例中，每一晶元格之柱狀結構之一部分的材料為非晶矽及非晶矽雜質，而每一晶元格之柱狀結構之另一部分的材料為鍺(Ge)及鍺雜質，其中每一晶元格之柱狀結構之另一部分具有多個邊帶，且這些邊帶小於光吸收層所吸收之光之波長範圍的一預設波長。另外，光吸收層所吸收之光的波長範圍為450~700nm，且預設波長為550nm。
舉例來說，在本實施例中，晶元格131之柱狀結構132_1、柱狀結構132_2與柱狀結構132_3的材料為非晶矽及非晶矽雜質。晶元格131之柱狀結構132_4、柱狀結構132_5與柱狀結構132_6的材料為鍺(Ge)及鍺雜質。因此，晶元格131之柱狀結構132_4、柱狀結構132_5與柱狀結構132_6的邊帶也可有效地抑 制，如第8圖之曲線S14、S15與S16所示。
在如上之實施例中，晶元格131包括六個柱狀結構131_1、131_2、131_3、131_4、131_5與131_6，但本揭露實施例不限此。使用者可以調整適合於實施例之每一晶元格131之柱狀結構的數量。舉例來說，柱狀結構的數量可以為至少六個。另一實施例將描述如下。
第10A圖為依據本發明之另一實施例之光學裝置的俯視圖。請參考第10A圖，光學裝置1000與光學裝置100相似。光學裝置1000與光學裝置100之間的差異在於柱狀結構的數量。在光學裝置1000中，每一晶元格131包括十二個柱狀結構133_1、133_2、133_3、133_4、133_5、133_6、133_7、133_8、133_9、133_10、133_11與133_12。晶元格131之柱狀結構133_1、133_2、133_3、133_4、133_5、133_6、133_7、133_8、133_9、133_10、133_11與133_12的尺寸不同。
光學裝置1000之柱狀結構133_1、133_2、133_3、133_4、133_5、133_6、133_7、133_8、133_9、133_10、133_11和133_12與光學裝置100之柱狀結構132_1、132_2、132_3、132_4、132_5與132_6。該描述與光學裝置100之柱狀結構132_1、132_2、132_3、132_4、132_5與132_6的實施例相似，故在此不再贅述。
第10B圖為依據本發明之一實施例之將光吸收層所吸收之光轉換成電流的波形圖。在本實施例中，光吸收層130所吸收之光的波長範圍例如為450~700nm。在第10B途中，曲線S21對應於柱狀結構133_1，曲線S22對應於柱狀結構133_2，曲線S23 對應於柱狀結構133_3，曲線S24對應於柱狀結構133_4，曲線S25對應於柱狀結構133_5，曲線S26對應於柱狀結構133_6，曲線S27對應於柱狀結構133_7，曲線S28對應於柱狀結構133_8，曲線S29對應於柱狀結構133_9，曲線S30對應於柱狀結構133_10，曲線S31對應於柱狀結構133_11，曲線S32對應於柱狀結構133_12。
柱狀結構133_1可以在曲線S21之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。柱狀結構133_2可以在曲線S22之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。柱狀結構133_3可以在曲線S23之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。
柱狀結構133_4可以在曲線S24之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。柱狀結構133_5可以在曲線S25之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。柱狀結構133_6可以在曲線S26之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。
柱狀結構133_7可以在曲線S27之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。柱狀結構133_8可以在曲線S28之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。柱狀結構133_9可以在曲線S29之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。
柱狀結構133_10可以在曲線S30之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。柱狀結構133_11可以在曲線S31之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。柱狀結構133_12可以在曲線S32之光的對應波長吸收光以產生較大的電流。
另外，光學裝置1000也可包括相似於第6A圖與第6B圖之濾波層610，以抑制對應之柱狀結構的邊帶。光學裝置1000之濾波層610的設定方式可以參考第6A圖與第6B圖之實施例，故在此 不再贅述。此外，光學裝置1000可以在柱狀結構中植入不同材料，以抑制對應之柱狀結構的邊帶。植入不同材料的方式可以參考第9A圖與第9B圖之實施例，故在此不再贅述。
綜上所述，本發明所揭露之光學裝置，透過光吸收層包括多個晶元格，而每一晶元格包括多個柱狀結構，且每一晶元格之柱狀結構的尺寸不同。如此一來，可以達到高空間解析度。另外，光學裝置可以進一步包括多個濾波層，且每一濾波層配置在每一晶元格之柱狀結構的一部分上，或是在柱狀結構中植入不同材料，以抑制對應之柱狀結構的邊帶。如此一來，可以增加光學裝置的準確性。
本發明雖以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，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。
100:光學裝置
110:第一導電層
120:第一接面層
130:第一光吸收層
131_1:柱狀結構
140:第二接面層
150:第二導電層
160:基板
Vcc:電壓端
X,Z:座標

Claims (9)

  1. 一種光學裝置，包括：一第一導電層；一第一接面層，配置在該第一導電層上；一第一光吸收層，配置在該第一接面層上，其中該光吸收層包括多個晶元格，每一該些晶元格包括多個柱狀結構，每一該些晶元格之該些柱狀結構的尺寸不同；一第二接面層，配置在該光吸收層上；以及一第二導電層，配置在該第二接面層上；其中，該些柱狀結構的尺寸是依序增加，且具有最小尺寸的該柱狀結構與具有最大尺寸的該柱狀結構相鄰；其中，每一該些柱狀結構所吸收之一光的一波長隨著該柱狀結構的尺寸改變而改變，其中當該柱狀結構的尺寸為大時，該柱狀結構所吸收之該光的該波長較大，且當該柱狀結構的尺寸為小時，該柱狀結構所吸收之該光的該波長較小。
  2. 如請求項1所述之光學裝置，其中該些柱狀結構的材料為非晶矽及非晶矽雜質，每一該些晶元格之該些柱狀結構的數量為至少六個，每一該些柱狀結構之尺寸的寬度小於0.5um。
  3. 如請求項1所述之光學裝置，更包括：多個濾波層，每一該些濾波層配置在每一該些晶元格之該些柱狀結構的一部分上；其中，每一該些晶元格之該些柱狀結構的該部分具有多個邊帶，該些邊帶小於該光吸收層所吸收之一光之一波長範圍的一預設波長。
  4. 如請求項3所述之光學裝置，其中每一該些濾波層包括一多層膜。
  5. 如請求項3所述之光學裝置，其中每兩個該些晶元格之該些柱狀結構的該部分彼此相鄰排列，每一該些晶元格的一折射率呈現一W形變化。
  6. 如請求項3所述之光學裝置，其中該光吸收層所吸收之該光的該波長範圍為450~700nm，且該預設波長為550nm。
  7. 如請求項1所述之光學裝置，其中每一該些晶元格之該些柱狀結構之該部分的材料為非晶矽及非晶矽雜質，且每一該些晶元格之該些柱狀結構的另一部分的材料為鍺及鍺雜質，其中每一該些晶元格之該些柱狀結構的該另一部分具有多個邊帶，該些邊帶小於該光吸收層所吸收之一光之一波長範圍的一預設波長。
  8. 如請求項1所述之光學裝置，其中該第一接面層的材料為一p型非晶矽，且該第二接面層的材料為一n型非晶矽，該第一導電層與該第二導電層的材料為氧化銦錫(ITO)。
  9. 如請求項1所述之光學裝置，更包括：一基板，配置於相對於該第一接面層之該第一導電層的一側上，其中該基板的材料為一玻璃。
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