[发明专利]表面等离子体光子学电场增强型光电探测器及图像传感器

说明书

本发明涉及一种表面等离子体光子学电场增强型光电探测器，根据一实施例的光电探测器可以吸收表面等离子体激元(Surface plasmon polariton,SPP)而生成光电流，该表面等离子体激元(Surface plasmon polariton,SPP)是表面等离子体(Surface plasmon,SP)与光波(Light wave)的光子(Photon)结合而生成。

相关申请的交叉引用

本申请对于整篇内容作为参考分别包括在本发明的以下申请要求优先权，分别为：申请日期为2020年1月14日、申请号为62/961,029的美国临时专利申请以及申请日期为2020年7月2日、申请号为16/919,831的美国专利申请。

技术领域

本发明涉及一种表面等离子体光子学电场增强型光电探测器，更具体地，涉及一种应用以下现象的技术：通过光与金属表面的自由电子相互作用(Coupling)引起的表面等离子体激元(Surface plasmon polariton,SPP)，与电介质之间的分界面上产生强力增强型电场(Enhanced electric field)，表面等离子体激元(Surface plasmon polariton,SPP)是作为自由电子集体振荡的表面等离子体(Surface plasmon,SP)与光波(Lightwave)结合的形态。

背景技术

光电探测器与通常金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)结构类似，采用标准CMOS工艺制作而成，以使其在源极和漏极之间流过电流。

但，将光的入射聚集到栅极时，与光吸收层所在的栅极内多晶硅掺杂的离子、氧化膜与硅基板之间的界面、硅基板等中，光激发活动将活跃起来。并且，此时吸收能量的电荷在形成于氧化膜与硅基板之间的沟道区或者施加有驱动电压的漏极电极等，隧穿氧化膜，使其电荷进入栅极。这种隧穿会在栅极与氧化膜之间形成电荷耗尽层，使整个栅极的电荷量发生变化。

并且，随着隧穿的实施，电荷量和栅极电场会发生变化，这立刻会产生沟道阈值电压的减低效果。实施隧穿之后，最终由于入射到栅极的光，在晶体管的沟道上，会诱导光电流。并且，栅极用于接受光，其形成为与外部电极连接的结构，以便于针对源自光的沟道的光电流及暗电流大小、灵敏度、动态范围等实施：输出信号特性调节、像素复位功能等。

通常光电探测器形成为：使栅极吸收光，引起光电转换的结构。

这种传统的光电探测器具有以下弊端：栅极尺寸小于入射光的波长范围时，由于入射光直接被吸收，无法引起光激发，针对应用探测器尺寸及其结构的图像传感器降低像素大小时，会具有局限性。

另外，还需要进一步提升：被入射的光直接激发的电荷引起光电转换的内量子效率。

发明内容

本发明的目的在于：使金属层(Metal Layers)与入射光相互作用，通过介电常数不同的接合面产生的表面等离子体(Surface Plasmon,SP)和表面等离子体激元(SurfacePlasmon Polariton,SPP)实现光电转换，使表面等离子体激元直接增强光电流。

本发明的目的在于：根据入射光和金属层的相互作用生成的表面等离子体激元和局部电场(Localized Electric Field)效应，使被激发的电荷以绝缘膜为介质隧穿到另外的空间，使空间的电荷量和耗尽层的大小发生变化，然后，对于相邻的电流沟道的阈值电压产生影响，使光感应能力达到最强。

关于附加的状态，可以通过下述详细说明局部地提示或描述，也可以通过以上提示的发明实施例做出明确的解释。