TWM645192U - 顏色與紅外線影像感測器 - Google Patents

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Abstract

本說明書涉及一種顏色與紅外線影像感測器(100)，包含：-第一層，其中形成有紅外線光偵測器；-第二層，位於該第一層上方且其中形成有可見光偵測器；及-微透鏡層(113)，包含位於每一紅外線光偵測器前面的特定微透鏡，其中該些可見光偵測器相對於該些紅外線光偵測器橫向偏移。藉此本案可提供一種同時獲取顏色影像及紅外線影像的影像感測器，其克服了習知的顏色與紅外線影像感測器的全部或部分缺點。

Description

顏色與紅外線影像感測器
本揭示內容涉及電子影像感測器或成像器。
影像感測器由於其小型化而用於許多領域，特別用於電子設備中。影像感測器存在於人機介面應用或影像擷取應用中。
對於某些應用，希望具有能夠同時獲取顏色影像及紅外線影像的影像感測器。這種影像感測器在以下描述中稱為顏色與紅外線影像感測器。顏色與紅外線影像感測器的應用實例涉及獲取投影在其上的結構化紅外線圖案的物體的紅外線影像。這種影像感測器的使用領域尤其為電動車、無人機、智慧型手機、機器人及擴增實境及/或虛擬實境系統。
實施例克服前述顏色與紅外線影像感測器的全部或部分缺點。
實施例提供一種顏色與紅外線影像感測器，包含：-第一層，其中形成有紅外線光偵測器； -第二層，位於第一層上方且其中形成有可見光偵測器；及-微透鏡層，包含位於每一紅外線光偵測器前面的特定微透鏡，其中可見光偵測器相對於紅外線光偵測器橫向偏移。
根據實施例，感測器包含位於第二層與微透鏡層之間的濾色器層，該濾色器層包含位於每一可見光偵測器前面的特定濾色器。
根據實施例，濾色器藉由不透明壁彼此橫向隔開。
根據實施例，微透鏡相對於濾色器橫向偏移。
根據實施例，可見光偵測器佈置在第一陣列中，且紅外線光偵測器佈置在與第一陣列具有相同解析度及相同節距的第二陣列中。
根據實施例，在頂視圖中，任何兩個相鄰的可見光及紅外線光偵測器之間的中心至中心距離基本上等於第一及第二陣列的節距的一半。
根據實施例，該感測器包含無機半導體基板，例如由單晶矽製成，在該無機半導體基板的內部及頂部形成用於自可見光及紅外線光偵測器讀取的電路。
根據實施例，紅外線光偵測器為形成在該半導體基板中的無機光偵測器，且可見光偵測器為有機光偵測器。
根據實施例，紅外線光偵測器為形成在半導體基板上方的有機光偵測器，且可見光偵測器為有機光偵測器。
根據實施例，每一可見光偵測器具有藉由不透明壁與其他光偵測器的主動區分開的主動區域。
在各個圖式中，相似特徵由相似附圖標記表示。特別地，在各個實施例中共同的結構及/或功能特徵可具有相同附圖標記且可佈置相同的結構、尺寸及材料特性。
為清楚起見，僅詳細說明及描述對理解本文描述的實施例有用的步驟及元件。特別地，未詳細說明下文描述的影像感測器的用途。
除非另有說明，否則當參考連接在一起的兩個元件時，這表示直接連接，除導體之外沒有任何中間元件，且當參考耦合在一起的兩個元件時，這表示這兩個元件可以連接或可以藉助於一或多個其他元素耦合。
在以下描述中，當參考限定絕對位置的術語時，諸如術語「前」、「後」、「頂」、「底」、「左」、「右」等，或相對位置，諸如術語「上方」、「下方」、「上」、「下」等，或用於限定方向的術語，諸如術語「水平」、「垂直」等，除非另有說明，否則按照圖式的定向。
除非另有說明，否則術語「約」、「近似」、「基本上」及「大約」表示在10%以內，較佳在5%以內。
此外，本文認為術語「絕緣的」及「傳導的」分別表示「電絕緣的」及「導電的」。此外，除非另有說明，否則「接觸」係指「機械接觸」。此外，術語「感興趣的輻射」表示希望由光電裝置擷取或發射的輻射。作為實例，感興趣的輻射可包含可見光譜及近紅外線，亦即，波長在自400 nm至1700 nm的範圍內，更特別地在自400 nm至700 nm的範圍內及在自700 nm至1700 nm的範圍內用於近紅外線。層對輻射的透射率對應於自該層出來的輻射強度與進入該層的輻射強度之比，入射輻射的光線垂直於該層。在以下描述中，當輻射穿過層或膜的透射率小於10%時，層或膜稱為對輻射不透明。在以下描述中，當輻射穿過層或膜的透射率大於10%時，層或膜稱為對輻射透明。
影像的像素對應於由影像感測器擷取的影像的單位元素。當光電裝置為顏色影像感測器時，對於待獲取的顏色影像的每一影像像素，通常百合至少三個組件，每一組件獲取基本上單色的光輻射，亦即在低於100 nm (例如，紅、綠及藍)的波長範圍內。每一組件可包含至少一個光偵測器。
本文提供形成較佳包含至少一個有機半導體層的顏色與紅外線影像感測器。
第1A圖為根據實施例的顏色與紅外線影像感測器100的實例的部分簡化剖面圖。
第1A圖的影像感測器100包含適於擷取紅外線影像的第一光偵測器陣列，亦稱為紅外線光偵測器，及適於擷取可見顏色影像的第二光偵測器陣列，亦稱為可見光偵測器。
紅外線光偵測器形成在例如無機半導體基板101的內部及頂部，例如由矽製成，例如單晶矽。每一紅外線光偵測器包含例如半導體基板101的摻雜區域101D，從而界定光二極體。
在該實例中，可見光偵測器為形成在基板101上方的有機光二極體。有機光二極體例如更精確地基於聚合物材料或基於小分子。作為變體，可提供基於量子點或基於鈣鈦礦的光二極體，亦即，具有鈣鈦礦型結構的材料的光二極體。在所展示的實例中，可見光偵測器陣列佈置在紅外線光偵測器陣列上方。感測器100旨在在其正面照亮。
在第1A圖的實例中，基板101覆蓋有絕緣層的堆疊103 (稱為互連堆疊)，例如由氧化矽製成，其中形成有金屬軌道及金屬互連通孔。既不包含金屬互連軌道亦不包含通孔的堆疊103的部分，亦稱為傳輸訊窗，佈置在紅外線光偵測器的前面，以讓位於朝向紅外線光偵測器的部分入射輻射。
可見光偵測器佈置在互連堆疊103的上表面側。可見光偵測器各自包含下電極105、包含有機半導體層107的一部分的主動區域及上電極(未圖示)的堆疊。主動區域例如但不必須包含位於有機半導體層107的頂部且與有機半導體層107的表面例如下表面接觸的電子注入層，及位於有機半導體層107的頂部且與有機半導體層107的另一表面例如上表面接觸的電洞注入層。主動區域可進一步包含一個或複數個電子阻擋元件及/或一個或複數個電洞阻擋層(未圖示)。主動區域例如但不必須形成在感測器100的基本上整個表面上延伸的連續層。
作為實例，可見光偵測器(與主動區域的下表面接觸)的下電極105經區分以允許可見光偵測器的單獨讀數。可見光偵測器(與主動區域的上表面接觸)的上電極(第1A圖中未詳述)例如為常見的。作為實例，可見光偵測器的上電極形成連續層，該連續層在感測器100的主動區的基本上整個表面上延伸，例如在略大於感測器100的主動區的表面積上。下電極及上電極較佳地至少部分透明。
可見光偵測器陣列可覆蓋有一個或複數個封裝層109，例如絕緣層，特別地能夠防止有機半導體材料107免受外部侵害(濕氣、氧化等)。
每一可見光偵測器的頂部具有濾色器111，在該實例中，覆蓋封裝層109。濾色器111可對應於有色樹脂塊。可見光偵測器的下電極105相對於濾色器111對準。每一濾色器111適合於使在自700 nm至1 mm範圍內的波長穿過，且對於至少一些濾色器111，適合於只允許穿過可見光的波長範圍。對於待獲取的顏色影像的每一像素，影像感測器100可包含：頂部具有濾色器111的光偵測器，該濾色器111適用於僅使例如在自430 nm至490 nm的波長範圍內的藍光穿過(界定第一子像素，亦稱為藍色子像素)；頂部具有濾色器111的第二光偵測器，該濾色器111適用於僅使例如在自510 nm至570 nm的波長範圍內的綠光穿過(界定第二子像素，亦稱為綠色子像素)；及頂部具有濾色器111的光偵測器，該濾色器111適於僅使例如在自600 nm至720 nm的波長範圍內的紅光穿過(定義第三子像素，亦稱為紅色子像素)。作為實例，濾色器111佈置成拜耳陣列。
在該實例中，濾色器層111的頂部具有微透鏡層113。更具體地，微透鏡層113包含用於每一紅外線光偵測器的特定微透鏡113。每一微透鏡113為適於將入射光聚焦至相關聯的紅外線光偵測器的感光區上或中的聚斂微透鏡。換言之，每一微透鏡113的焦軸穿過相關聯的紅外線光偵測器的感光區，使得大部分入射線聚焦至紅外線光偵測器的感光區上或中。例如，在頂視圖中，對於位於感測器的中心區域的像素，微透鏡113的中心與下伏紅外線光偵測器的感光區的中心基本重合。對於位於感測器的外圍區域的像素，每一微透鏡113的中心可相對於相應紅外線光偵測器的感光區的中心橫向偏移。這例如能夠補償由位於微透鏡層113上方的感測器的主透鏡(第2圖中未圖示)及感測器基本上為平面的事實引起的光學效應。
作為實例，每一微透鏡113將光聚焦在下伏紅外線光偵測器的感光區的上表面上，且/或每一微透鏡113透射的光的聚焦錐115與在頂視圖中圍繞下伏紅外線光偵測器的感光區的互連堆疊103的金屬化層齊平。作為變體，可根據另一錐體117將光聚焦在基板101的上表面的點處，該點與上覆微透鏡113的中心大致垂直地對齊。
感測器100的微透鏡113專用於紅外線光偵測器，且濾色器111專用於可見光偵測器。
第1B圖為第1A圖的顏色與紅外線影像感測器100的部分簡化頂視圖。
在第1B圖所說明的實例中，微透鏡層113包含與紅外線光偵測器陣列具有相同解析度及相同節距的相鄰微透鏡113的陣列。為簡化起見，微透鏡113在第1B圖中用正方形表示，應理解，在頂視圖中，每一微透鏡113可具有任何形狀，例如圓形。
此外，在該實例中，濾色器層111包含與可見光偵測器陣列具有相同節距及相同解析度的連續濾色器陣列111。
可見光偵測器陣列例如具有與紅外線光偵測器陣列相同的節距及相同的解析度。在此情況下，濾色器陣列111具有例如與微透鏡陣列113基本相同的節距及相同的解析度。作為實例，在頂視圖中，微透鏡113基本具有與濾色器111相同的尺寸。
根據第1A圖及第1B圖的實施例的態樣，可見光偵測器相對於紅外線光偵測器橫向偏移。換言之，每一紅外線光偵測器的部分頂部具有至少四個可見光偵測器，且每一可見光偵測器部分地延伸超過至少四個紅外線光偵測器。
因此，在第1A圖及第1B圖的實施例中，微透鏡113相對於濾色器111橫向偏移。換言之，在頂視圖中，微透鏡113的中心相對於濾色器111的中心橫向偏移。因此，每一濾色器111的部分頂部具有至少四個微透鏡113，且每一微透鏡113部分地在至少四個濾色器111上延伸。
作為實例，濾色器111分別下伏可見光偵測器為中心，且相對於下伏紅外線光偵測器偏離中心。
作為實例，可見光偵測器相對於紅外線光偵測器橫向偏移一半陣列節距。在此情況下，微透鏡113相對於濾色器111橫向偏移一半節距。
半導體基板101可進一步包含用於自紅外線及可見光偵測器讀取的電路。讀出電路例如以互補金氧半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)技術形成。覆蓋基板101上表面的互連堆疊103可具體包含將每一可見光偵測器的至少一個電極105電連接至基板101內部及頂部形成的讀出電路的金屬化層。
每一可見光偵測器的主動區對應於大部分入射輻射由光偵測器吸收且轉換為電訊號的區，且基本上對應於位於下電極105與例如與電極105垂直對齊的光偵測器的上電極之間的主動層部分。
第1A圖及第1B圖的實施例的優點在於，由於紅外線光偵測器與可見光偵測器之間的偏移，互連堆疊103的金屬化層覆蓋半導體基板101，特別地互連金屬化層能夠將可見有機光偵測器的電極105電連接至在基板101內部及頂部形成的讀出電路，不阻擋或僅部分阻擋傳輸至紅外線光偵測器的輻射。
第2圖為圖解地及部分地展示第1A圖及第1B圖的感測器100的替代實施例的剖面圖。
在該變型中，例如由金屬製成的不透明壁201將濾色器111彼此橫向分開以避免不同可見子像素之間的光學串擾現象。
第3圖為圖解地及部分地展示第1A圖及第1B圖的感測器100的另一替代實施例的剖面圖。
在該變體中，例如由金屬或樹脂製成的不透明壁301將可見有機光偵測器彼此橫向隔開以避免不同可見子像素之間的光學串擾現象。
作為實例，首先經由可見光偵測器之間的主動層蝕刻溝槽，然後在溝槽中沈積不透明填充材料，例如金屬，以形成不透明壁301。
應注意，第2圖及第3圖的變體可組合。
第4圖為圖解地展示根據第二實施例的顏色與紅外線影像感測器400的實例的剖面圖。
第4圖的感測器400與第1A圖及第1B圖的感測器100的主要區別在於，在第4圖的實施例中，感測器400包含堆疊在半導體基板101上方的兩個主動有機層401及403。紅外線光偵測器自半導體基板101的上表面形成在第一有機主動層401中，稱為下層，且可見光偵測器自半導體基板101的上表面形成在第二有機主動層403中，稱為上層。作為變體，主動層401及403中的至少一者基於量子點或基於鈣鈦礦。
介電層405將兩個有機主動層401及403分開。作為實例，每一有機主動層401、403的厚度範圍為50nm至2μm，較佳為400nm至600nm或600nm至1200nm，且介電層405的厚度小於3μm，較佳小於1μm。介電層405例如為樹脂層。作為變體，介電層405由氮化矽或氧化矽製成。
在該實例中，下半導體基板101不包含光偵測器，而僅包含用於自可見光及紅外線光偵測器讀取的電路。例如金屬的導電通孔407將可見光偵測器的下電極105耦合至在半導體基板101內部及頂部形成的讀出電路。
作為實例，首先在互連堆疊103的上表面上沈積下有機層401。然後在層401中在通孔407的所需位置處形成第一開口。然後，在下有機層401上沈積介電層405。在該步驟期間，介電層405填充先前形成在層401中的第一開 口。然後在介電層405中形成例如相對於第一開口對齊的第二開口。第二開口穿過介電層405及下有機層401且曝露互連堆疊103的部分上表面。例如，在頂視圖中，第二開口的橫向尺寸小於第一開口的橫向尺寸，使得第二開口的邊緣由介電層405的一部分(圖式中未詳述)。然後用金屬沈積物填充每一第二開口以完成通孔407的形成。每一通孔407的金屬部分藉由覆蓋第二開口側面的介電層405的部分與下有機層401電絕緣。
如在前面的實例中，可見光偵測器相對於紅外線光偵測器橫向偏移。此外，微透鏡113相對於濾色器111橫向偏移。
這特別能夠藉由將可見光偵測器耦合至覆蓋下基板101的互連堆疊103的金屬化層來限制紅外線光偵測器的掩蔽。
在第4圖的實施例中，每一微透鏡113為聚斂微透鏡，適於將入射光聚焦至至少一個下伏紅外線光偵測器的主動區域上或中。作為實例，每一微透鏡113透射的光的聚焦錐115與將下伏可見光偵測器耦合至互連堆疊103的金屬化層齊平。光可進一步或作為變體根據錐體117聚焦在互連堆疊103的點處，該點與下伏微透鏡113的中心大致垂直地對齊。
應注意，第2圖及第3圖的變體可適用於第4圖的實施例。
已描述各種實施例及變體。熟習此項技術者將理解，這些不同實施例及變體的某些特徵可以組合，且熟習此項技術者將想到其他變體。
最後，所描述的實施例及變體的實際實施在熟習此項技術者基於上文給出的功能指示的能力範圍內。
100:顏色與紅外線影像感測器
101:半導體基板
101D:摻雜區域
103:互連堆疊
105:下電極
107:有機半導體層
109:封裝層
111:濾色器
113:微透鏡
115:聚焦錐
117:錐體
201,301:不透明壁
400:顏色與紅外線影像感測器
401,403:主動有機層
405:介電層
407:導電通孔
以下結合附圖對具體實施例的非限制性描述將詳細討論本創作的上述及其他特徵及優點，其中：
第1A圖為圖解地展示第一實施例的顏色與紅外線影像感測器的實例的剖視圖；
第1B圖為第1A圖的顏色與紅外線影像感測器的部分簡化頂視圖；
第2圖為圖解地及部分地展示第1A圖及第1B圖的感測器的替代實施例的剖面圖；
第3圖為圖解地及部分地展示第1A圖及第1B圖的感測器的另一替代實施例的剖面圖；及
第4圖為圖解地展示根據第二實施例的顏色與紅外線影像感測器的實例的剖面圖。
100:顏色與紅外線影像感測器
101:半導體基板
101D:摻雜區域
105:下電極
107:有機半導體層
109:封裝層
111:濾色器
113:微透鏡
115:聚焦錐
117:錐體

Claims (10)

  1. 一種顏色與紅外線影像感測器，包含：一第一層，其中形成有多個紅外線光偵測器；一第二層，位於該第一層上方且其中形成有多個可見光偵測器；及一微透鏡層，包含對於每一紅外線光偵測器，佈置為將多個入射線聚焦在該紅外線光偵測器上的一特定微透鏡，其中該些可見光偵測器相對於該些紅外線光偵測器橫向偏移。
  2. 如請求項1所述之感測器，包含位於該第二層與該微透鏡層之間的一濾色器層，該濾色器層包含位於每一可見光偵測器前面的一特定濾色器。
  3. 如請求項2所述之感測器，其中該些濾色器藉由多個不透明壁彼此橫向隔開。
  4. 如請求項2所述之感測器，其中該些微透鏡相對於該些濾色器橫向偏移。
  5. 如請求項1所述之感測器，其中該些可見光偵測器佈置在一第一陣列中，且該些紅外線光偵測器佈置在與該第一陣列具有相同解析度及相同節距的一第二陣列中。
  6. 如請求項5所述之感測器，其中在頂視圖中，任何兩個相鄰的可見光及紅外線光偵測器之間的中心至中心距離基本上等於該第一及第二陣列的該節距的一半。
  7. 如請求項1所述之感測器，包含一無機半導體基板，例如由單晶矽製成，在該無機半導體基板的內部及頂部形成用於自該可見光及紅外線光偵測器讀取的多個電路。
  8. 如請求項7所述之感測器，其中該些紅外線光偵測器為形成在該半導體基板中的無機光偵測器，且該些可見光偵測器為有機光偵測器。
  9. 如請求項7所述之感測器，其中該些紅外線光偵測器為形成在該半導體基板上方的有機光偵測器，且該些可見光偵測器為有機光偵測器。
  10. 如請求項1所述之感測器，其中每一可見光偵測器具有藉由一不透明壁與其他光偵測器的多個主動區分開的一主動區域。
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