本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素。

背景技術(shù)：

低成本的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)圖像傳感器的發(fā)展有貢獻(xiàn)于大容量消費品(例如，移動設(shè)備和機動汽車)中彩色照相機模塊的包含。這樣的照相機模塊的發(fā)展包括紅外線(ir)檢測能力的包含和由此的可見和紅外光譜帶的雙模成像，這對應(yīng)用(例如，姿勢識別和深度分析)是重要的。

在此，術(shù)語“ir光”、“ir電磁輻射”和“ir波長”指的是波長在λ≈0.75μm和λ≈1.1μm之間的電磁能量。λ≈1.1μm的上限對應(yīng)cmos圖像傳感器中硅的帶隙能量。相似地，術(shù)語“可見光”、“可見電磁輻射”和“可見波長”指的是波長在0.40μm和0.75μm之間的電磁能量。

圖1示出移動設(shè)備190的照相機模塊120。圖2是照相機模塊120的剖視圖。照相機模塊120包括成像透鏡222和具有像素陣列200的圖像傳感器250。成像透鏡222能夠?qū)奈矬w234傳播至像素陣列200上的光232成像。圖像傳感器250可以包括設(shè)備裸片(devicedie)206，例如，設(shè)備裸片206使用cmos工藝實施，然而在不脫離其范圍的情況下，設(shè)備裸片206可以使用其他技術(shù)實施。設(shè)備裸片206電連接至印刷電路板(pcb)230。

圖3是可兼容用于像素陣列200中的現(xiàn)有技術(shù)的ir敏感像素300的剖視圖。ir敏感像素300包括顯微透鏡376和硅基板320之間的ir帶通濾光器374?；?20包括光電二極管區(qū)域322并由半導(dǎo)體(例如硅)形成。在不否定基板320對于濾光器374作為基板的功能的情況下，基板320可以包括不同材料的層和區(qū)域。

ir敏感像素300的問題在于，硅基板320吸收紅外光遠(yuǎn)遠(yuǎn)比其吸收可見光的效率低。入射到介質(zhì)表面的光的電場在介質(zhì)中距表面的距離處衰減至其初始值的e^-1，其中κ(λ)是介質(zhì)在波長λ處的折射率的虛部。對于硅，在λ＝500nm(綠光)處的κ(λ)大于在λ＝830nm(近ir)處的κ(λ)的十倍，這意味著，與可見光相比，在被吸收前，ir光在硅中大概傳播十倍遠(yuǎn)。與可見光相比，此ir光降低的吸收限制像素陣列200對ir光的靈敏度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在第一實施例中，等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素包括半導(dǎo)體基板和多個金屬柱。半導(dǎo)體基板具有上表面和上表面下方的光電二極管區(qū)域。多個金屬柱至少部分地嵌入在基板中并從上表面在與上表面基本垂直的方向中延伸。

在第二實施例中，等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素包括(a)具有上表面的半導(dǎo)體基板，(b)在上表面上的氧化物層，(c)在上表面和氧化物層之間的薄膜涂層，和(d)多個金屬納米顆粒，多個金屬納米顆粒(i)至少部分地在上表面和氧化物層之間并且(ii)至少部分地嵌入在薄膜涂層和氧化物層的至少一個中。

等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素的第三實施例包括第一實施例和第二實施例的特征。

附圖說明

圖1示出包括照相機模塊的移動設(shè)備。

圖2是包括具有像素陣列的圖像傳感器的圖1的照相機模塊的剖視圖。

圖3是圖2的像素陣列的現(xiàn)有技術(shù)的ir敏感像素的剖視圖。

圖4a和圖4b是實施例中等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素的剖視圖。

圖5示出圖4a和圖4b的等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素的實施例的模擬的歸一化(normalized)量子效率。

圖6示出圖4a和圖4b的等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素的實施例的模擬的量子效率。

圖7a和圖7b是實施例中等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素的剖視圖。

圖8是圖7a和圖7b的等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素的實施例的歸一化量子效率的圖。

圖9是實施例中等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素的剖視圖。

具體實施方式

圖4a和圖4b是等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素400的剖視圖。等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素400可兼容用于像素陣列200中。圖4a的剖視圖在坐標(biāo)系498的x-z平面內(nèi)。圖4b的剖視圖沿圖4a的剖面b-b'并在坐標(biāo)系498的x-y平面內(nèi)。等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素400包括基板420中被布置成陣列439的多個金屬柱430。

基板420由半導(dǎo)體(例如硅)形成，且在不脫離其范圍的情況下可以包括不同材料的層和區(qū)域。金屬柱430可以由貴金屬(例如鋁、金、銀、鉑和銅)或其合金形成?；?20具有上表面421，其可以是平面的(如圖4a所示)或非平面的。

等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素400還可以包括絕緣層440和光學(xué)單元470的至少一個。光學(xué)單元470包括抗反射(ar)涂層471、氧化物層472、濾色鏡474和顯微透鏡476的至少一個，如圖4a所示。例如，濾色鏡474是ir帶通濾色器。例如，絕緣層440是具有5nm和10nm之間的厚度的氧化鉿(鉿(iv))層。

顯微透鏡476具有光軸477且每個柱430具有縱軸437。每個柱430的縱軸437可以與光軸477平行，如圖4a所示?？蛇x地，柱430的縱軸437可以與光軸477基本平行，其中在此基本平行指示的是縱軸437和光軸477偏離平行小于5度。在這樣的實施例中，縱軸437與基板420的表面421基本垂直?？蛇x地，縱軸437可以偏離與表面421垂直相交大于5度。

例如，ar涂層471是具有55nm和60nm之間的厚度t的五氧化二鉭層。五氧化二鉭可以被形成為非晶薄膜并在λ＝900nm處具有折射率n＝2.1。在不脫離其范圍的情況下，ar涂層471可以是晶體的。

陣列439是具有柱間隔a＝400nm(此后“柱間隔432”)的方形陣列且每個金屬柱430具有柱直徑2r＝150nm(此后“柱直徑431”)，使得陣列439具有區(qū)域填充因子f＝πr²/a²＝0.11。在不脫離其范圍的情況下，柱直徑431可以在80nm和250nm之間且對應(yīng)的區(qū)域填充因子f可以在0.030和0.31之間。與顯著較小的直徑(例如，小于80nm)相比，具有150nm直徑(或更通常地，寬度)的金屬柱的優(yōu)點在于具有較大半徑的柱比具有較小寬度的柱允許在當(dāng)前cmos鑄造工藝中更高的產(chǎn)量。

在不脫離其范圍的情況下，柱直徑431和柱間隔432可以具有不同的值，且陣列439可以是不同類型的周期陣列(例如六邊形陣列或矩形陣列)或非周期陣列。金屬柱430具有如圖4b所示的圓形的剖面。在不脫離其范圍的情況下，金屬柱430可以具有非圓形的剖面(例如橢圓形、多邊形)，或約當(dāng)曲線(jordancurve)的剖面。在此，多邊形剖面包括具有一個或多個圓角的多邊形。

基板420包括具有光電二極管寬度424的光電二極管區(qū)域422。在坐標(biāo)系498的z方向，光電二極管區(qū)域422在距基板420的上表面421的距離423處起始并在距離425處終止。距離423可以等于0使得上表面421的至少部分是光電二極管區(qū)域422的表面。

柱430從上表面421在基板420中延伸距離433。例如，距離433在1.0μm和2.5μm之間。至少一個柱430可以具有與上表面421共平面的上表面435，如圖4a和4b所示?？蛇x地，柱430可以整體地在表面421下方，使得其完全地嵌入在基板420中。柱430可以部分地嵌入在基板420中使得柱430的部分突出表面421之上進(jìn)入絕緣層440且可選地進(jìn)入光學(xué)單元470的一個或多個部件。

圖4a示出超過距離423的距離433，使得至少一個柱430延伸至光電二極管區(qū)域422中。距離433還可以超過距離425使得至少一個柱430延伸穿過光電二極管區(qū)域422。可選地，距離423可以超過距離433，使得沒有柱430延伸至光電二極管區(qū)域422中。

圖4a示出超過柱間隔432的光電二極管寬度424。可選地，光電二極管寬度424可以小于柱間隔432。柱430可以具有相等的長度，如圖4a所示，或可以具有不同的長度，例如作為在坐標(biāo)系498的x-y平面平行的平面中距離光軸477的距離的函數(shù)。

用于表述的目的，圖4a示出具有跨越10個柱430的像素寬度402(像素寬度402超過10a)并具有具有跨越每個柱430的光電二極管寬度424的一個光電二極管區(qū)域422的等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素400。像素寬度402和光電二極管寬度424可以是關(guān)于柱間隔432的不同的尺寸。例如，像素寬度402可以在1.0μm和3.0μm之間。

圖5是沒有濾色鏡474且其中金屬柱430是鋁的實施例等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素400的歸一化量子效率500的圖。歸一化量子效率500是等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素400的模擬量子效率除以與像素400相同然而沒有金屬柱的像素的模擬量子效率。即，金屬柱430被硅代替。使用時域有限差分(fdtd)軟件包計算歸一化量子效率500。在示于圖5的波長范圍內(nèi)，歸一化量子效率500在大于740nm的波長處超過單位1(unity)。增強的量子效率至少部分地由入射到上表面421上的ir光與柱430的表面上傳播的等離子體的耦合產(chǎn)生。

圖6是如圖4所示的其中金屬柱430是鋁的實施例等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素400的量子效率600的圖。量子效率602是與像素400相同的、除了其沒有金屬柱430的像素的量子效率。量子效率600在大于約0.74μm的波長處超過量子效率602。使用fdtd軟件包計算量子效率600和602。

圖7a和圖7b是等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素700的剖視圖。等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素700可兼容用于像素陣列200中。圖7a的剖視圖在坐標(biāo)系798的x-y平面內(nèi)。圖7b的剖視圖沿圖7a的剖面7b-7b'并與坐標(biāo)系798的x-y平面平行。等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素700包括基板720的表面721上的多個金屬納米顆粒730。金屬納米顆粒730嵌入在涂層760和氧化物層472中并被布置成陣列739，示于圖7b中為平面方形陣列。等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素700還可以包括濾色鏡474和顯微透鏡476的至少一個，如圖7a所示。氧化物層772、濾色鏡474和顯微透鏡476是光學(xué)單元770的部分。

基板720包括距上表面721距離723的光電二極管區(qū)域722。距離723可以等于0使得表面721的至少部分是光電二極管區(qū)域722的表面。表面721可以是如圖7a中所示的平面的，或者，在不脫離其范圍的情況下，可以是非平面表面。

涂層760可以包括多于一個層，如圖7a所示，其中涂層760包括絕緣層740和ar涂層771，在沒有納米顆粒730嵌入其中的情況下，絕緣層740和ar涂層771分別與絕緣層440和ar涂層471相似。ar涂層771是光學(xué)單元770的部分且剖面7b-7b'穿過ar涂層771。在此，納米顆粒730不被看作是層740、涂層771或涂層760的部分。在不脫離其范圍的情況下，涂層760可以是單一均勻?qū)印?/p>

陣列739是具有等于0.30μm的顆粒間隔732的方形陣列且每個金屬納米顆粒730具有等于0.1μm的直徑731。在表面721之上具有等于直徑731的高度的體積734內(nèi)，納米顆粒730具有等于百分之六的體積填充因子。在不脫離其范圍的情況下，體積填充因子可以與百分之六不同。直徑731可以在0.1μm和0.4μm之間。如圖7a和圖7b所示，金屬納米顆粒730是球形的使得直徑731與表面721之上的金屬納米顆粒730的高度對應(yīng)。

金屬納米顆粒730可以由貴金屬(例如鋁、金、銀、鉑和銅)或其合金形成。直徑731和顆粒間隔732可以具有不同的值，且陣列739可以是不同類型的周期陣列(例如六邊形陣列或矩形陣列)或非周期陣列。一個或多個金屬納米顆粒730可以是非球形的，例如，金屬納米顆粒730可以是橢圓體的、圓柱體的、膠囊形的和圓盤形的(例如，類似冰球的)的一個。

圖8是其中由鋁形成金屬納米顆粒730的等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素700的歸一化量子效率800的圖。圖8還示出歸一化量子效率802和804。歸一化量子效率802與沒有納米顆粒730的等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素700的響應(yīng)對應(yīng)。歸一化量子效率804與沒有涂層760的等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素700的響應(yīng)對應(yīng)。歸一化量子效率800、802和804是使用fdtd方法計算的并由與像素700相同的既沒有金屬納米顆粒730也沒有涂層760的像素的模擬量子效率歸一化的。在示于圖8的波長范圍內(nèi)，歸一化量子效率在約0.74μm和0.95μm之間的波長處超過單位1。增強的量子效率部分由傳播穿過涂層760的ir光與金屬納米顆粒730上傳播的表面等離子體的耦合產(chǎn)生。

等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素可以包括像素400的金屬柱430(圖4)和像素700的金屬納米顆粒730(圖7)。例如，圖9是等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素900的剖視圖。等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素900可兼容用于像素陣列200中。像素900包括具有坐標(biāo)系998的x-y平面中的其上表面421的基板420。在x-y平面的正向側(cè)(z>0)，像素900與像素400相同。在x-y平面的負(fù)向側(cè)(z<0)，像素900與像素700相同。在像素900中，距離423、柱430和納米顆粒730的尺寸和間距可以被共同地優(yōu)化以對特定光譜區(qū)域(例如近ir光譜區(qū)域)中的光增大量子效率。

在不脫離其范圍的情況下，上述的和下面所請求的特征可以以各種方式進(jìn)行組合。以下示例示出一些可能的、非限制性組合：

(a1)等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素包括半導(dǎo)體基板和多個金屬柱。半導(dǎo)體基板具有上表面和上表面下方的光電二極管區(qū)域。多個金屬柱至少部分地嵌入在基板中并從上表面在與上表面基本垂直的方向中延伸。

(a2)如(a1)表示的像素還可以包括在上表面上的光學(xué)單元，光學(xué)單元包括抗反射涂層、氧化物層、濾色鏡和顯微透鏡的至少一個。

(a3)在如(a1)和(a2)的一個表示的像素中，多個柱的一個的上表面可以與基板的上表面共平面。

(a4)在如(a1)至(a3)的一個表示的像素中，每個柱的至少部分可以在光電二極管區(qū)域中。

(a5)在如(a1)至(a4)的一個表示的像素中，多個柱的每個可以具有超過50納米的最小寬度和小于1微米的最大寬度。

(a6)在如(a1)至(a5)的一個表示的像素中，多個柱的每個可以具有接近上表面的頂端和與頂端相對并位于基板內(nèi)的底端。頂端和底端之間的距離可以在1微米和3微米之間。

(a7)在如(a1)至(a6)的一個表示的像素中，多個柱可以形成周期陣列。

(a8)在如(a7)表示的像素中，陣列可以具有0.030和0.31之間的區(qū)域填充因子。

(a9)在如(a1)至(a8)的一個表示的像素中，多個柱的一個在與基板的表面平行的平面中可以具有非圓形剖面形狀。

(a10)在如(a1)至(a9)的一個表示的像素中，多個柱的每個可以由選自由鋁、金、銀、鉑和銅組成的組的一種或多種材料形成。

(a11)如(a1)至(a10)的一個表示的像素還可以包括(a)上表面上的氧化物層，(b)上表面和氧化物層之間的薄膜涂層和(c)多個金屬納米顆粒，多個金屬納米顆粒(i)至少部分地在上表面和氧化物層之間并且(ii)至少部分地嵌入在薄膜涂層和氧化物層的至少一個中。

(b1)等離子納米結(jié)構(gòu)傳感器像素包括(a)具有上表面的半導(dǎo)體基板，(b)上表面上的氧化物層，(c)上表面和氧化物層之間的薄膜涂層和(d)多個金屬納米顆粒，多個金屬納米顆粒(i)至少部分地在上表面和氧化物層之間并且(ii)至少部分地嵌入在薄膜涂層和氧化物層的至少一個中。

(b2)如(b1)表示的像素還可以包括在氧化物層的與薄膜涂層相對的側(cè)面上的濾色鏡和顯微透鏡的至少一個。

(b3)在如(b1)和(b2)的一個表示的像素中，多個金屬納米顆?？梢圆糠值厍度朐诒∧ね繉雍脱趸飳又小?/p>

(b4)在如(b1)至(b3)的一個表示的像素中，其中薄膜涂層包括多個層，多個納米顆?？梢员磺度朐诙鄠€層的一個中并可以突出穿過其相對的兩側(cè)。

(b5)在如(b4)表示的像素中，多個納米顆?？梢圆糠值厍度朐诙鄠€層的每個和氧化物層中。

(b6)在如(b1)至(b5)的一個表示的像素中，半導(dǎo)體基板的上表面可以是平面的。

(b7)在如(b1)至(b6)的一個表示的像素中，至少一個納米顆?？梢允菆A盤形的。

(b8)在如(b1)至(b7)的一個表示的像素中，多個納米顆粒的每個可以由選自由鋁、金、銀、鉑和銅組成的組的一種或多種材料形成。

(b9)如(b1)至(b8)的一個表示的像素還可以包括至少部分地嵌入在基板中并從上表面在與上表面基本垂直的方向中延伸的多個金屬柱。

在不脫離其范圍的情況下，可以對上述系統(tǒng)和方法做出改變。因此，應(yīng)該注意的是，在上述描述中包含的或在附圖中示出的方式，應(yīng)該被理解為說明性的且不具有限制意義。所附權(quán)利要求旨在覆蓋在此描述的所有通用和特定特征，以及本方法和本系統(tǒng)的范圍的在語言上的所有聲明應(yīng)被認(rèn)為落入其間。