[发明专利]谐振腔增强的图像传感器

说明书

一种半导体图像传感器器件，包括具有主表面(MS)和相对的后表面(RS)的半导体层(SL)，以及主表面上的电荷载流子生成部件(CG)。电荷载流子生成部件布置在半导体层外的顶部反射层(R1)与底部反射层(R2)之间。

本发明涉及图像传感器的领域，特别是在特定波长下为达到良好量子效率而优化的图像传感器。例如，这种图像传感器可用于投射人造光的系统，如使用结构光图案进行3D成像的相机系统或使用诸如在飞行时间3D成像系统中使用的一组短光脉冲的系统。这种系统通常使用窄带近红外光，因为近红外光对于用户是不可见的。CMOS和CCD图像传感器中常用的硅光电二极管很难检测到近红外光。但是红外区域的特定波段是感兴趣的，因为它们的日光含量低，例如在波长940nm附近的H₂O吸收带，这意味着在主动照明系统中背景信号明显较少。然后有利的是使用窄带940nm光源，使得来自日光照射的背景信号量最小化。通常使用诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)或LED之类的光源。但重要的是，图像传感器要在这个波长达到足够的量子效率。

需要对特定波长有选择性的图像传感器的其他应用是光致发光成像或2D光谱学。本发明也能够用于该领域。在光致发光中，光源或x射线源触发闪烁或光致发光材料中的光致发光。这种光致发光发生在特定的波长，并且照明图案由图像传感器记录。该图像传感器必须仅对光致发光的波长敏感。在2D光谱学中，不同像素可以对特定的波长选择性地敏感，这通过本发明的某些实施例来实现。

在本发明中图像传感器针对其优化的波长能够位于所使用的检测器材料对其光敏感的任何波段中。如果使用硅，则包括可见光和近红外光。对于近红外光，本发明提供了额外的优点，即检测器能够保持薄型。

光子在光电检测器中有一定的吸收深度，这取决于光电检测器的带隙和能量，因此取决于光子的波长。对于通常用于CMOS和CCD图像传感器的硅，在940nm处的吸收深度为55μm。这意味着940nm的光电检测器将需要至少55μm才能检测最多63％(1–1/e)的光子作为上限，而不会由于反射或复合而造成任何其他损失。因此，需要厚的层以足够大的量子效率收集足够的光子。

在每个包含光电二极管的小像素阵列中，厚的检测器层是不可行的，因为由载流子扩散引起的像素之间的串扰会限制图像的清晰度。电荷收集层的厚度通常小于像素间距的两倍。对于尺寸为1.4μm或更小的小像素，采用额外的的隔离技术，例如深注入或深隔离沟槽以避免载流子扩散。为了增加厚度而又不产生过多的串扰，必须通过使用背面偏置技术或改变层中的杂质浓度来使用垂直电场。这种技术通常仅用于较大的像素，例如具有10微米像素间距的像素。这种背面偏置技术还需要在制造过程中增加额外的加工步骤，从而增加了器件的成本。

此外，在光子能量不比半导体检测器层的带隙大很多的波长处，电荷载流子收集深度很大程度上取决于温度。较厚的检测器层也限制了能够收集电荷载流子的最大速度。这对于快速选通像素非常重要，例如用于间接飞行时间图像传感器。

法布里·珀罗干涉仪或标准具由以特定距离放置的两个反射镜形成。当反射镜之间的光路长度是腔内材料中光的波长的倍数时，就会发生相长干涉。已经描述了具有放置在两个反射镜之间的光子吸收层的结构以构建大的离散光电二极管，主要用于快速收集载流子。在垂直腔面发光激光器(VCSEL)中使用了类似的结构。

N.Tack等人的“A Compact High Speed and Low Cost Hyperspectral Imager”，Proc.SPIE Vol.8266，2012，描述了在像素顶部使用法布里·珀罗干涉仪的高光谱和多光谱传感器。

K.Kishino等人的“Resonant Cavity-Enhanced(RCE)Photodetectors”，IEEEjournal of Quantum Electronics，Vol.27，No.8，1991年8月，以分析方式描述了位于两个反射镜之间的光电检测器结构的特征，包括量子效率、波长选择性、角灵敏度和载流子收集速度。Kishino等人还介绍了具有InGaAs收集层的AlGaAs-GaAs异质结光电晶体管的特征，以及在电信应用中光纤信号的光谱复用中的应用。