TWM641159U - 顏色與紅外光圖像感測器 - Google Patents

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班傑明 波提儂
卡蜜兒 杜波朗
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法商艾索格公司
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Abstract

本說明書涉及一種顏色與紅外光圖像感測器(100)，其包含：一第一層級，該第一層級具有形成於其中的配置於一第一陣列中的紅外光偵測器；以及位於該第一層級上方的一第二層級，該第二層級具有形成於其中的配置於一第二陣列中的可見光偵測器，該第二陣列具有比該第一陣列的間距大的間距，其中每個紅外光偵測器相對於該等可見光偵測器中的一者橫向對準，其他可見光偵測器相對於該紅外光偵測器橫向偏移。

Description

顏色與紅外光圖像感測器
本揭露涉及電子圖像感測器或成像器。
圖像感測器由於其小型化而被用於許多領域，特定而言用於電子元件中。圖像感測器存在於人機介面應用或圖像捕獲應用中。
對於某些應用，期望具有允許同時獲取顏色圖像及紅外光圖像的圖像感測器。此種圖像感測器在以下描述中稱為顏色與紅外光圖像感測器。顏色與紅外光圖像感測器的應用之實例涉及對具有投射於其上的結構化紅外光圖案的物件的紅外光圖像之獲取。此類圖像感測器的使用領域具體地為機動車輛、無人機、智慧型手機、機器人以及擴增實境及虛擬實境系統。
實施例克服了前述顏色與紅外光圖像感測器的全部或部分缺點。
實施例提供一種顏色與紅外光圖像感測器，其包含：第一層級，該第一層級具有形成於其中的紅外光偵測器；以及位於該第一層級上方的第二層級，該第二層級具有形成於其中的可見光偵測器，其中每個紅外光偵測器相對於該等可見光偵測器中的一者橫向對齊，其他可見光偵測器相對於該紅外光偵測器橫向偏移。
根據實施例，該感測器包含位於該第二層級上方的彩色濾光片層，該彩色濾光片層包含位於每個可見光偵測器前面的特定彩色濾光片。
根據實施例，該感測器包含位於該彩色濾光片層上方的微透鏡層，該微透鏡層包含位於每個紅外光偵測器前面的特定微透鏡。
根據實施例，該等微透鏡適於將光聚焦於紅外光偵測器的光敏區域之位於前面的上表面的周邊區域上。
根據實施例，該等可見光偵測器配置於第一陣列中，且該等紅外光偵測器配置於第二陣列中，該第二陣列具有為該第一陣列的解析度的二分之一的解析度且具有為該第一陣列的間距的兩倍的間距。
根據實施例，該感測器包含例如由單晶矽製成的一無機半導體基板，用於自該等可見光偵測器及該等紅外光偵測器進行讀取的電路形成於該無機半導體基板內部及其頂部上。
根據實施例，該等紅外光偵測器係形成於該半導體基板中的無機光偵測器，且該等可見光偵測器係有機光偵測器。
根據實施例，該等紅外光偵測器係形成於該半導體基板上方的有機光偵測器，且該等可見光偵測器係有機光偵測器。
相似的特徵在各個圖中由相似的參考符號表示。特定而言，各種實施例當中共有的結構及/或功能特徵可具有相同的參考符號且可處置相同的結構、尺寸及材料性質。
為了清楚起見，僅詳細示出且描述了對理解本文描述的實施例有用的步驟及元件。特定而言，未詳述下文描述的圖像感測器的用途。
除非另外指出，否則當提及連接在一起的兩個元件時，這表示直接連接而沒有除導體之外的任何中間元件，且當提及耦接在一起的兩個元件時，這表示這兩個元件可被連接或者它們可經由一或多個其他元件耦接。
在以下描述中，當提及限定絕對位置的術語(諸如術語「前」、「後」、「頂部」、「底部」、「左」、「右」等)或限定相對位置的術語(諸如術語「上方」、「下方」、「上部」、「下部」等)，或者提及限定方向的術語(諸如術語「水平」、「豎直」等)時，除非另外規定，否則提及的是圖式的定向。
除非另外規定，否則術語「約」、「大致」、「大體上」及「大約」表示在10%內，較佳地在5%內。
此外，此處認為術語「絕緣的」及「傳導的」分別表示「電絕緣的」及「導電的」。此外，除非另外規定，否則「與……接觸」意謂「與……機械接觸」。此外，術語「感興趣的輻射」表示期望由光電子元件捕獲或發射的輻射。作為實例，感興趣的輻射可包含可見光譜及近紅外光，即，在400 nm至1,700 nm範圍內的波長，更具體地，針對可見光譜在400 nm至700 nm範圍內且針對近紅外光在700 nm至1,700 nm範圍內的波長。層對輻射的透射率對應於自層出射的輻射的強度與進入層的輻射的強度之比，入射輻射的射線垂直於層。在以下描述中，當穿過層或膜的輻射的透射率小於10%時，層或膜被稱為對輻射不透明。在以下描述中，當穿過層或膜的輻射的透射率大於10%時，層或膜被稱為對輻射透明。
圖像的像素對應於由圖像感測器捕獲的圖像的單位元素。當光電子元件為顏色圖像感測器時，其通常包含針對要獲取的顏色圖像的每個圖像像素的至少三個組件，該等至少三個組件各自獲取大體上單色(即，在小於100 nm的波長範圍內(例如，紅色、綠色及藍色))的光輻射。每個組件可包含至少一個光偵測器。
此處提供它以形成較佳地包含至少一個有機半導體層的顏色與紅外光圖像感測器。
第1圖及第2圖分別係示意性地且部分地示出根據第一實施例的顏色與紅外光圖像感測器100的實例之俯視圖以及沿著第1圖的平面AA的剖視圖。
第1圖的圖像感測器100包含適於捕獲紅外光圖像的第一光偵測器(亦稱為紅外光偵測器)的陣列，以及適於捕獲可見顏色圖像的第二光偵測器(亦稱為可見光偵測器)的陣列。
紅外光偵測器形成於例如由矽(例如，單晶矽)製成的例如無機半導體基板101內部及其頂部上。每個紅外光偵測器包含半導體基板101的例如摻雜區域101D，摻雜區域101D界定光二極體。
在此實例中，可見光偵測器係形成於基板101上方的有機光二極體。換言之，可見光偵測器陣列配置於紅外光偵測器陣列上方。感測器100意欲在其上側上被照射。
在第1圖的實例中，基板101塗有例如由氧化矽製成的絕緣層的堆疊103 (稱為互連堆疊)，該堆疊具有形成於其中的金屬軌道及金屬互連導通體。堆疊的不包含金屬互連軌道或導通體的部分(亦稱為透射窗)配置於紅外光偵測器前面，以使入射輻射的朝向紅外光偵測器的部分通過。
可見光偵測器配置於互連堆疊的上表面側上。可見光偵測器各自包含下電極105、包含有機半導體層107的一部分的作用區域、及上電極(未示出)的堆疊。作用區域例如但不一定包含位於有機半導體層107的一個表面(例如，下表面)的頂部上且與該表面接觸的電子注入層，以及位於有機半導體層107的另一個表面(例如，上表面)的頂部上且與該另一個表面接觸的電洞注入層。作用區域例如但不一定形成在感測器100的作用區域的大體上整個表面上延伸的連續層。
作為實例，可見光偵測器的下電極105(與作用區域的下表面接觸)係分化化的以允許對可見光偵測器的單獨讀取。可見光偵測器的上電極(第1圖中未詳述)(與作用區域的上表面接觸)例如係共同的。作為實例，可見光偵測器的上電極形成在感測器100的作用區域的大體上整個表面上(例如，在比感測器100的作用區域的表面積略大的表面積上)延伸的連續層。下電極及上電極較佳為至少部分透明的。
可見光偵測器陣列可塗有一或多個封裝層109，例如，特別係允許保護有機半導體材料107免受外部侵害(濕度、氧化等)的絕緣層。一或多個封裝層109較佳為至少部分透明的。
每個可見光偵測器的頂部具有彩色濾光片111，在此實例中，該彩色濾光片覆蓋封裝層109。彩色濾光片111可對應於有色樹脂塊或顏色路由器。可見光偵測器的下電極105相對於彩色濾光片111對齊。每個彩色濾光片111適於使在700 nm至1 mm範圍內(較佳地在700 nm至5 μm範圍內)的波長通過，且針對彩色濾光片111中的至少一些，適於僅使可見光波長範圍通過。針對要獲取的顏色圖像的每個像素，圖像感測器100可包含頂部具有適於僅使藍光(例如，在430 nm至490 nm的波長範圍內)通過的彩色濾光片111的光偵測器(界定稱為藍色子像素的第一子像素)、頂部具有適於僅使綠光(例如，在510 nm至570 nm的波長範圍內)通過的彩色濾光片111的第二光偵測器(界定稱為綠色子像素的第二子像素)、以及頂部具有適於僅使紅光(例如，在600 nm至720 nm的波長範圍內)通過的彩色濾光片111的光偵測器(界定稱為紅色子像素的第三子像素)。在第1圖中，每個虛線正方形象征圖像感測器100的一個子像素。
在第2圖中示出的實例中，彩色濾光片111層的頂部具有微透鏡113層。更具體地，微透鏡113層包含位於每個紅外光偵測器前面的微透鏡113。作為實例，在俯視圖中，每個微透鏡113的入射線的聚焦點與下層紅外光偵測器的光敏區域的中心大體上重合。例如，在像素位於感測器的中心區域的情況下，每個微透鏡113的中心與下層紅外光偵測器的光敏區域的中心大體上重合。然而，在像素位於作用區域的輪廓上的情況下，每個微透鏡113的中心相對於下層紅外光偵測器的光敏區域的中心偏移。這例如允許補償由感測器的位於微透鏡113層上方的主透鏡(第2圖中未示出)且由感測器大體上為平面的事實引起的光學效應。每個微透鏡113係適於將入射光聚焦至下層紅外光偵測器的光敏區域上或中的會聚微透鏡。作為實例，每個微透鏡113將光聚焦至下層紅外光偵測器的光敏區域的上表面上。更準確地，在所示實例中，由每個微透鏡113透射的光被聚焦至下層紅外光偵測器的光敏區域的上表面的周邊區域上。由每個微透鏡113透射的光被聚焦於其上的周邊區域在俯視圖中例如具有環形形狀，例如，圓形(圓環)、矩形或正方形。在此實例中，每個紅外光偵測器的光敏區域的中心區域不接收來自相關聯微透鏡113的光。為了簡化，微透鏡113在第1圖中由正方形象征，應當理解，每個微透鏡113在俯視圖中可具有任何形狀，例如圓形。
在所示實例中，由每個微透鏡113透射的光線的包絡(對應於會聚透鏡的聚焦錐)具有隆凸形狀115，該隆凸形狀具有三角形截面，該三角形截面具有與互連堆疊103的在俯視圖中相對於下層光偵測器的光敏區域居中的金屬鍍層齊平的內壁115I，且具有與相鄰互連堆疊103的金屬鍍層齊平的外壁115E。
與具有適於將透射光聚焦至單個焦點上的形狀的所謂「習知的」會聚微透鏡不同，第1圖及第2圖的感測器的適於將光聚焦於環形區域中的微透鏡113被稱為「非習知的」。作為實例，圖像感測器100的每個微透鏡可在其中間具有反曲點117、凹口或孔且/或每個微透鏡113例如可為菲涅耳透鏡型或超構透鏡型。通常，每個微透鏡113所具有的形狀適於將入射光聚焦至下層紅外光偵測器的光敏區域的上表面的周邊區域上，同時避免或同時限制光朝向此表面的中心區域的透射。
感測器100的微透鏡113專用於紅外光偵測器，且彩色濾光片111專用於可見光偵測器。
微透鏡113層例如包含與紅外光偵測器陣列具有相同解析度及相同間距的相鄰微透鏡113的陣列。
彩色濾光片111層例如包含與可見光偵測器陣列具有相同間距及相同解析度的相鄰彩色濾光片111的陣列。
可見光偵測器陣列例如具有比紅外光偵測器陣列的間距小(例如，為其二分之一)的間距。可見光偵測器陣列進一步具有比紅外光偵測器陣列的解析度大(例如，為其兩倍)的解析度。在此情況下，彩色濾光片111陣列例如具有比微透鏡113陣列的間距小(例如，為其二分之一)的間距，且具有比微透鏡113陣列的解析度大(例如，為其兩倍)的解析度。作為實例，在俯視圖中，微透鏡113具有為彩色濾光片111的橫向尺寸的兩倍的橫向尺寸，或者為該彩色濾光片的表面積的四倍的表面積。
根據第1圖及第2圖的實施例的態樣，針對感測器100的每個像素，可見光偵測器中的一者(在第1圖及第2圖中示出的實例中，位於像素的中心處的光偵測器)相對於紅外光偵測器橫向對齊，而其他可見光偵測器相對於紅外光偵測器橫向偏移。藉由橫向對齊，這意味著可見光偵測器的中心光軸或中心豎軸與紅外光偵測器的中心光軸或中心豎軸重合。換言之，每個紅外光電偵測器的頂部具有一個可見光偵測器，感測器100的其他可見光偵測器至少部分地定位成與基板101的不包含紅外光電偵測器的區域豎直地成一直線。如第2圖所示出，其他可見光偵測器可部分地在紅外光偵測器上方延伸。
因此，在第1圖及第2圖的實施例中，微透鏡113相對於在紅外光偵測器頂部的可見光偵測器對齊且相對於其他可見光偵測器橫向偏移。此外，微透鏡113相對於在紅外光偵測器頂部的可見光偵測器的彩色濾光片111對齊，且相對於其他可見光偵測器的彩色濾光片111橫向偏移。換言之，在俯視圖中，微透鏡113的中心相對於在紅外光偵測器頂部的可見光偵測器的彩色濾光片111的中心橫向對齊。因此，相對於紅外光偵測器橫向對齊的可見光偵測器的彩色濾光片111的頂部具有單個微透鏡113，而其他可見光偵測器的彩色濾光片111的頂部具有至少兩個微透鏡113 (在此實例中具有兩個或四個微透鏡113)。
作為實例，彩色濾光片111分別以下層光偵測器為中心，且針對每個像素，可見光偵測器中的一者相對於下層紅外光偵測器居中，而其他可見光偵測器相對於紅外光偵測器偏離中心。
作為實例，針對每個像素，可見光偵測器中的一者相對於紅外光偵測器橫向對齊，且其他可見光偵測器相對於紅外光偵測器橫向偏移半個陣列間距。
半導體基板101可進一步包含用於自紅外光及可見光偵測器進行讀取的電路。讀出電路例如以CMOS(「互補金屬氧化物半導體」)技術形成。覆蓋基板101的上表面的互連堆疊103特定而言可包含將每個可見光偵測器的至少一個下電極105電連接至形成於基板101內部及其頂部上的讀出電路的金屬鍍層。
每個可見光偵測器的作用區域對應於大部分入射輻射被光偵測器吸收且轉換成電信號的區域，且大體上對應於作用層的位於光偵測器的下電極105與上電極之間(例如與下電極105豎直地成一直線)的部分。
第1圖及第2圖的實施例的優點為，由於微透鏡113將光聚焦至紅外光偵測器的周邊區域上的事實，覆蓋半導體基板101的互連堆疊103的金屬鍍層(且特定而言為允許將可見有機光偵測器的下電極105電連接至形成於基板101內部及其頂部上的讀出電路的互連金屬鍍層)不會阻擋或僅部分地阻擋透射至紅外光偵測器的輻射。
第3圖及第4圖分別係示意性地且部分地示出根據第二實施例的顏色與紅外光圖像感測器400的實例之俯視圖以及沿著第3圖的平面BB的剖視圖。
第3圖及第4圖的感測器400與第1圖及第2圖的感測器的區別主要在於，在第3圖及第4圖的實施例中，感 測器400包含堆疊在半導體基板101上方的兩個作用有機層級401及403。紅外光偵測器自半導體基板101的上表面形成於被稱為下層級的第一作用有機層級401中，且可見光偵測器自半導體基板101的上表面形成於被稱為上層級的第二有機作用層級403中。
介電層405將兩個有機作用層級401及403分開。作為實例，每個有機作用層級401、403具有在50nm至2μm範圍內(較佳地在400nm至600nm或600nm至1,200nm範圍內)的厚度，且介電層405具有小於3μm(較佳地小於1μm)的厚度。介電層405例如為樹脂層。作為變型，介電層405由氮化矽或氧化矽製成。
在此實例中，下部半導體基板101不包含光偵測器，而僅包含用於自可見光偵測器及紅外光偵測器進行讀取的電路。導電(例如金屬的)導通體407將可見光偵測器的下電極105耦接至形成於半導體基板101內部及其頂部上的讀出電路。
作為實例，首先將下部有機層級401沉積於互連堆疊103的上表面上。然後將第一開口形成於層級401中導通體407的期望位置處。然後，將介電層405沉積於下部有機層級401上。在此步驟期間，介電層405填充先前形成於層級401中的第一開口。然後將例如相對於第一開口對齊的第二開口形成於介電層405中。第二開口跨過介電層405及下部有機層級401且曝露互連堆疊103的上表面的部分。第二開口在俯視圖中例如具有比第一開口的橫向尺寸小的橫向尺寸，使得第二開口的邊緣由介電層405的部分覆蓋(圖式中未詳述)。然後用金屬沉積物填充每個第二開口以完成導通體407的形成。每個導通體407的金屬部分藉由介電層405的覆蓋第二開口的側面的部分與下部有機層級401電絕緣。
如同在上文關於第1圖及第2圖描述的實例中，針對感測器400的每個像素，可見光偵測器中的一者(在第3圖及第4圖中示出的實例中，位於像素的中心處的光偵測器)相對於紅外光偵測器橫向對齊，而其他可見光偵測器相對於紅外光偵測器橫向偏移。
這具體地允許限制將可見光偵測器耦接至覆蓋下部基板101的互連堆疊103之金屬鍍層對紅外光偵測器的遮擋。
在第3圖及第4圖的實施例中，每個微透鏡113係適於將入射光聚焦至至少一個下層紅外光偵測器的作用區域上或中的會聚微透鏡。在所示實例中，下層紅外光偵測器的光敏區域及電極在俯視圖中具有矩形或正方形環的形狀。如第3圖及第4圖所示出，每個紅外光偵測器例如包含相對於上層可見光偵測器的下電極105大體上居中的正方形環形下電極409。在所示實例中，每個可見光偵測器的下電極105部分地覆蓋下層紅外光偵測器的下電極409。第3圖及第4圖的感測器400的微透鏡113例如類似於第1圖及第2圖的感測器100的微透鏡113。
在所示實例中，由每個微透鏡113透射的光線的包絡115的內壁115I與可見光偵測器的在俯視圖中相對於下層紅外光偵測器的光敏區域居中的下電極105齊平，且包絡115的外壁115E與相鄰可見光偵測器的下電極105齊平。
儘管上文已關於第1圖至第4圖描述了圖像感測器的實施例，該等圖像感測器所具有的可見光偵測器陣列展現出為紅外光偵測器陣列的間距(兩個相鄰光偵測器之間的中心到中心距離)的二分之一的間距，可提供可見光偵測器陣列與紅外光偵測器陣列之間不同於1/2的間距比作為變型。作為實例，可將可見光偵測器陣列提供為具有為紅外光偵測器陣列的間距的三分之一的間距(1/3間距比)、為紅外光偵測器陣列的間距的四分之一的間距(1/4間距比)等。更一般地，可見光偵測器陣列較佳地具有比紅外光偵測器陣列的間距小(例如，為其N分之一，其中N為大於或等於2的整數)的間距。
已描述各種實施例及變型。熟習此項技術者將理解，可組合此等各種實施例及變型的某些特徵，且熟習此項技術者將想到其他變型。
最後，基於上文給出的功能指示，所描述之實施例及變型的實際實現方式在熟習此項技術者的能力範圍內。
100,400:感測器 101:基板 101D:摻雜區域 103:堆疊 105,409:下電極 107:有機半導體層 109:封裝層 111:彩色濾光片 113:微透鏡 115:包絡 115I:內壁 115E:外壁 117:反曲點 401,403:有機層級 405:介電層 407:導通體
在以下結合隨附圖式對具體實施例的非限制性描述中，將詳細論述本新型的上述以及其他特徵及優點，在圖式中：
第1圖係示意性地示出根據第一實施例的顏色與紅外光圖像感測器的實例的俯視圖；
第2圖係第1圖的感測器的沿著第1圖的平面AA的剖視圖；
第3圖係示意性地示出根據第二實施例的顏色與紅外光圖像感測器的實例的俯視圖；且
第4圖係第3圖的感測器的沿著第3圖的平面BB的剖視圖。
100:感測器
101:基板
101D:摻雜區域
103:堆疊
105:下電極
107:有機半導體層
109:封裝層
111:彩色濾光片
113:微透鏡
115:包絡
115I:內壁
115E:外壁
117:反曲點

Claims (9)

  1. 一種顏色與紅外光圖像感測器(100；400)，其包含：一第一層級，該第一層級具有形成於其中的配置於一第一陣列中的紅外光偵測器；以及位於該第一層級上方的一第二層級，該第二層級具有形成於其中的配置於一第二陣列中的可見光偵測器，該第二陣列具有比該第一陣列的間距小的間距，其中每個紅外光偵測器相對於該等可見光偵測器中的一者橫向對準，其他可見光偵測器相對於該紅外光偵測器橫向偏移。
  2. 如請求項1所述之感測器(100；400)，其中該第二陣列具有為該第一陣列的間距的N分之一的間距，其中N為大於或等於二的整數。
  3. 如請求項2所述之感測器(100；400)，其中數字N等於二。
  4. 如請求項1所述之感測器(100；400)，其包含位於該第二層級上方的一彩色濾光片(111)層，該彩色濾光片層包含位於每個可見光偵測器前面的一特定彩色濾光片。
  5. 如請求項4所述之感測器(100；400)，其包含位於該彩色濾光片(111)層上方的一微透鏡(113)層，該微透鏡層包含位於每個紅外光偵測器前面的一特定微透鏡。
  6. 如請求項5所述之感測器(100；400)，其中該等微透鏡(113)適於將光聚焦至該紅外光偵測器的一光敏區域之位於前面的一上表面的一周邊區域上。
  7. 如請求項1所述之感測器(100；400)，其包含例如由單晶矽製成的一無機半導體基板(101)，用於自該等可見光偵測器及該等紅外光偵測器進行讀取的電路形成於該無機半導體基板內部及其頂部上。
  8. 如請求項7所述之感測器(100)，其中該等紅外光偵測器係形成於該半導體基板(101)中的無機光偵測器，且該等可見光偵測器係有機光偵測器。
  9. 如請求項7所述之感測器(400)，其中該等紅外光偵測器係形成於該半導體基板(101)上方的有機光偵測器，且該等可見光偵測器係有機光偵測器。
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