本公开涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种光捕获图像传感器。
背景技术：
图像传感器，诸如电荷耦合器件(ccd)图像传感器或互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器，将入射光转换为电荷。图像传感器的量子效率是在图像传感器中产生电荷载流子的入射光子的百分比。对于图像传感器的每个像素，量子效率由多个因素的组合定义，包括入射光被引导到像素的光电二极管的效率(即外部量子效率)和光电二极管将光子转换为电荷载流子的效率(即，内部量子效率，与光电二极管材料的吸收系数直接相关)。内部量子效率由光电二极管的材料和入射光的波长确定。最广泛使用的图像传感器是基于硅的cmos图像传感器。在硅的情况下，内部量子效率在整个可见光谱中都超过80％，但是当光的波长超过1000纳米时，内部量子效率会急剧下降。
当图像传感器被部署在弱光条件下时，图像传感器的量子效率可能是实现期望性能的关键参数。一个这样的示例是用于对红外光谱中的场景成像的夜视相机。相关的示例是昼夜监控，其中同一台相机用于(a)在白天，基于可见光对场景进行成像和(b)在夜间，基于红外光对黑暗处的同一场景进行成像，至少对于基于硅的图像传感器，红外光在图像传感器中转换为电荷的效率较低。
技术实现要素：
在一个实施例中，光捕获图像传感器包括像素阵列和透镜阵列。像素阵列形成在半导体衬底内和半导体衬底上，并且包括光敏像素，每个光敏像素包括反射材料，反射材料在半导体材料的一部分的周围形成腔，以至少部分地捕获进入腔的光。腔在半导体衬底的光接收表面处具有顶板，并且顶板形成用于将光接收到腔中的孔。透镜阵列设置在像素阵列上。透镜阵列的每个透镜与相应腔的孔对准，以将光通过孔聚焦到腔中。
附图说明
图1、2和3示出了根据实施例的光捕获图像传感器。
图4a和图4b示出了根据实施例的配备有100％填充因子微透镜阵列的光捕获图像传感器。
图5a和图5b示出了根据实施例的配备有低于100％的填充因子微透镜阵列的光捕获图像传感器。
图6a和图6b示出了根据实施例的具有微球阵列的光捕获图像传感器。
图7a和图7b示出了根据实施例的具有滤色微球阵列的光捕获彩色图像传感器。
图8a和图8b示出了根据实施例的具有分离的微球和滤色器阵列的光捕获彩色图像传感器。
图9a和图9b示出了根据实施例的具有分离的微透镜和滤色器阵列的光捕获彩色图像传感器。
图10示出了根据实施例的具有腔顶板和底板的光捕获图像传感器，腔顶板和底板具有锯齿状的表面轮廓以引入腔内部的光传播的随机化。
图11示出了根据实施例的腔壁，具有突出到腔中的多个锥体。
图12示出了根据实施例的具有延伸到腔中的低n电介质锥体的光捕获图像传感器。
图13示出了根据实施例的利用低n电介质和金属的组合来形成腔的光捕获像素。
图14示出根据实施例的用于制造光捕获图像传感器的方法。
图15是图6的图像传感器的示例的模拟量子效率的图。
图16是图4和5的图像传感器的示例的模拟量子效率的曲线图。
具体实施方式
图1、图2和图3示出了一个光捕获图像传感器100。图1是示例使用场景中的图像传感器100的截面图。图2更详细地示出了图像传感器100。图3是图像传感器100的像素阵列的俯视图。图1和图2中的图像传感器100的截面是沿图3中的线2-2’得到的。在下面的描述中，图1、图2和图3最好放在一起查看。
图像传感器100包括半导体衬底110和设置在半导体衬底110的光接收顶表面114上的透镜阵列130。图像传感器100是背面照射的互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器，其包括在半导体衬底110内和半导体衬底110上形成的光敏像素112的阵列。在不脱离本发明范围的情况下，图像传感器100可包括比图1、图2和图3所示的像素112更少或更多的像素112。
每个像素112将入射在像素112上的光182转换为电输出信号188。每个像素112包括反射材料，反射材料在半导体110的半导体材料的一部分周围形成腔120，以至少部分地捕获进入腔120的光182。光通过由顶表面114处的反射材料形成的顶板224中的孔122进入腔120。尽管如图3所示，孔122具有圆形截面，但是在不脱离其范围的情况下，孔122可具有不同的形状，例如正方形。
当光182具有使得半导体衬底110的内部量子效率为低的波长时，光182的光子必须行进以被转换为电荷的平均路径长度可能大大超过半导体衬底110的厚度。例如，硅的吸收系数在1060纳米(近红外)处为α1060＝10cm-1，在535纳米(绿色)处为α535＝10,000cm-1。结果，虽然535纳米的光仅行进1微米，以损失其强度的64％以进行光子到电荷的转换，但是1060纳米的光必须行进1毫米，以损失其强度的64％以进行光子到电荷的转换。通常，图像传感器的半导体衬底的厚度为几微米，例如在2到20微米之间，以使得只有极小部分的入射的1060纳米光在穿过半导体衬底的厚度时会经历光子到电荷的转换。通过捕获光182，腔120有效地使进入腔120的光182经历的半导体衬底厚度倍增。图2示出了进入腔120并且被腔120的壁反射以使其多次通过腔120内部的半导体衬底110的半导体材料的一种示例性射线284。(应当理解，该射线追踪描述可能是不准确的，并且为了适当地描述进入腔120内和在腔120内部的光传播，可能需要波动光学。)半导体衬底110的厚度162可以在2至20微米的范围内。然而，腔120可允许光182在腔120内的路径长度比厚度162大很多倍。腔120从而补偿与某些波长范围有关的低吸收系数，并且与没有腔120的常规图像传感器相比，在这种波长范围下提高图像传感器100的量子效率。
为了利用腔120的光捕获益处，光182必须通过孔122相对有效地耦合到腔120中，并且每个孔122必须做得尽可能小。为此目的，透镜阵列130设置在顶表面114上，并且包括与孔122对准的透镜132。透镜132用于将光182至少近似地聚焦在孔122上，使得入射到每个透镜132上的光的至少很大一部分被耦合到相应的腔120中，即使孔122很小。每个透镜132可以具有高数值孔径以在孔122上产生紧密的聚焦，以改善光通过孔122耦合到腔120中。在一个实施例中，每个透镜132是平凸微透镜并且可以具有大约0.5或更大的数值孔径(例如0.4和0.7之间)。在这个实施例中，微透镜的光轴238可以以孔122为中心。在另一个实施例中，每个透镜132是微球，并且可以具有大约1.0的数值孔径(例如在0.9和1.4之间)。
每个像素112可以具有边长264的正方形截面，使得沿着像素112的阵列的行和列的像素间距与边长264相同。每个孔122可以具有直径266的圆形截面，或边长266的正方形横截面。边长264可以在0.8微米(大约是目前微透镜制造技术所能达到的令人满意的聚焦和光收集性能的下限)和10微米(在某些情况下对应于像素112的阵列的可接受分辨率的上限)之间的范围内，并且直径/边长266可以在0.25微米和边长264的一半之间的范围内。在这样的尺寸下，对耦合到腔120中的光以及在腔120内部的光传播的精确描述必须考虑到光的波特性。然而，出于说明性目的且不受理论的束缚，图像传感器100的简化描述对于评估图像传感器100的某些参数的效果可能是有用的。
为了说明的目的并且不受理论的束缚，考虑单个像素112及其相关联透镜132的简化模型，并假定透镜132的焦点与孔122重合。在该模型中，光182被透镜132折射，从而在顶板224上形成艾里图案。理想地，为了优化光耦合到腔120中，艾里斑(艾里图案的中心斑)完全位于孔122内，使得直径/边长266不小于
其中，λ是光182的自由空间波长，n是透镜132的折射率，na是透镜132的数值孔径。对于数值孔径为0.5的透镜132，dmin＝1.27λ/n，对于λ＝1060纳米和n＝1.5(特别对于聚合物而言)，对应于dmin≈900纳米。对于数值孔径为1.0的透镜，dmin＝0.64λ/n，对于λ＝1060纳米和n＝1.5，对应于dmin≈450纳米。在一些情况下，以比dmin大的直径/边长266来操作以改善光耦合到腔120中可能是有益的。在一个实施例中，直径/边长266不小于dmin且不大于边长264的三分之一或一半。在其他情况下，以小于dmin的直径/边长266进行操作以减少通过孔122从腔120漏出的光可能是有益的。
在一个实施例中，半导体衬底110是硅基衬底，并且图像传感器100提供量子效率的提高，尤其是在硅的吸收系数低的近红外光谱中。在此，“近红外”是指波长在700和1400纳米之间的范围内的光。在另一个实施例中，半导体衬底110是基于硅锗的衬底，并且图像传感器100提供量子效率的提高，特别是在近红外光谱中，其中硅锗的吸收系数低，尽管不如硅的吸收系数低。在又一个实施例中，半导体衬底110是基于铟镓砷的衬底或锗衬底，并且图像传感器100提供量子效率的提高，尤其在可见光谱中，其中铟镓砷和锗的吸收系数低。
无论材料选择如何，半导体衬底110包括掺杂区域以在每个像素112中形成光电二极管。每个像素112还可包括一个或多个晶体管或栅极，用于将光生电荷传导出像素112以产生信号188。
透镜阵列130实现在光传输层136中，光传输层136设置在顶板224上的顶表面114上方并跨越孔122。光传输层136可以包括一个或多个波长过滤器。在一个实施例中，图像传感器100是单色图像传感器。在此实施例中，光传输层136可以在期望的工作波长范围内基本光学透明，可选地同时阻挡期望的工作波长范围之外的光。在一个示例中，光传输层136用于透射近红外光并阻挡可见光。在另一示例中，光传输层136用于透射可见光和近红外光。在另一实施例中，图像传感器100是彩色图像传感器，其中像素112包括专用于检测诸如红色、绿色、蓝色和近红外的相应多种颜色的光的像素112的多个组。在此实施例中，光传输层136可包括在透镜阵列130和顶表面114之间的滤色器阵列，或结合在透镜132中的滤色器阵列。
图1描绘了示例使用场景中的图像传感器100，其中图像传感器100被部署在相机102中，相机102被设置为在夜间对场景180进行成像，并且半导体衬底110是硅基衬底。相机102用于通过检测来自场景180的近红外光来捕获场景180的图像。因此，在所描绘的示例使用场景中，光182处于近红外光谱中。相机102包括图像传感器100和成像物镜170。成像物镜170可以是单透镜或包括多个光学元件的复合透镜系统。基于近红外光的夜间成像通常是弱光场景，而硅在近红外光谱中具有低吸收系数。因此，以足够短的曝光时间来获得足够的图像亮度可能是具有挑战性的。相机102受益于图像传感器100的增强的量子效率，从而能够至少部分地补偿硅的低吸收系数和可用于成像的低水平的近红外光。在一个实施方式中，相机102是用于对近红外光成像的单色夜视相机。在另一个实施方式中，相机102是彩色相机，用于使用像素112的相应子集捕获彩色图像和近红外图像。
对于每个像素112，形成腔120的反射材料形成顶板224、底板226和侧壁228。底板226可以位于半导体衬底110的底表面216处，底表面216面向与顶表面114相反的方向。顶板224、底板226和侧壁228中的每个可包括金属，例如铝，和/或低折射率(低n)电介质，例如氧化物(例如，二氧化硅)或聚合物。在此，“低n电介质”是指折射率小于1.6的电介质材料。顶板224、底板226和侧壁228可以彼此分开和/或顶224、底板226和侧壁228中的两个或更多个可以具有不同的相应材料成分。在一个实施方式中，侧壁228是深沟槽隔离或包括深沟槽隔离，其将相邻像素112彼此电隔离。在这种实施方式中，图像传感器100的一组侧壁228可以形成多个连续壁，每个连续壁在图3中的像素112的阵列的相邻行之间延伸，另一组侧壁228可以形成多个连续壁，每个连续壁在图3中的像素112的阵列的相邻列之间延伸。
在一个实施例中，面对腔120的底板226的表面，以及可选地还有面对腔120的顶板224的表面，具有锯齿状轮廓，以至少部分地使光182在腔120内部的传播随机化，从而改善腔120对光的捕获。在这种实施例的一个示例中，底板226，以及可选地还有顶板224，包括突出到腔120中的锥体状特征。在这种实施例的另一示例中，底板226，并且可选地还有顶板224，包括与厚度162形成斜角的表面。
图像传感器100可以包括设置在底板226上的底表面216下方的连接层240。连接层240包括到像素112的电连接，用于将电信号188传导到外部连接(图1、图2和图3中未示出)。在一个实施例中，每个底板226至少部分地是金属电极，用于(a)反射在腔120内传播的光，并且(b)参与从像素112中读出电信号188。
图4a和图4b示出了配备有100％填充因子微透镜阵列的一个光捕获图像传感器400。图4a是图像传感器400的剖视图，图4b是图像传感器400的像素阵列的顶视图。图4a中的截面是沿图4b中的线4a-4a’截取的。在下面的描述中，图4a和图4b最好放在一起查看。在不脱离本发明的范围的情况下，图像传感器400可以包括比图4a和图4b所示的更多或更少的像素。在此，填充因子为100％是指在相邻的透镜之间没有间隙的透镜阵列。但是，应当理解，与期望的透镜表面轮廓的偏离可能存在于相邻透镜之间的边界处，使得仅透镜阵列面积的例如95-99％是完全起作用的。
图像传感器400是图像传感器100的实施例，其包括半导体衬底110、形成在半导体衬底110中和半导体衬底110上的像素阵列412以及光传输层436。每个像素412是像素112的实施例，具有腔420。每个像素412具有可以在0.8微米和10微米之间的范围内的边长264。像素412的像素间距等于边长264。腔420是腔120的实施例，实施顶板424，顶板424形成孔422以允许光182进入腔420。光传输层436是光传输层136的实施例，包括在中间层437上设置的平凸微透镜432的微透镜阵列430(透镜阵列130的实施例)，此中间层437又设置在像素412的顶板424上方的顶表面114上。中间层437和微透镜432用于使得每个微透镜432将光182近似聚焦在孔422处。然而，微透镜不具有高数值孔径，因此不将光182非常紧密地聚焦，如等式1所示，其中dmin与数值孔径成反比。因此，为了允许由微透镜432聚焦的大部分光进入腔420，孔422的横向范围466(例如，直径或边长)必须相对较大。在一个示例中，每个微透镜432的数值孔径是0.25，使得对于λ＝1060纳米和n＝1.5，dmin＝2.55λ/n对应于dmin≈1800纳米。
图5a和图5b示出了配备有低于100％的填充因子微透镜阵列的一个光捕获图像传感器500。图5a是图像传感器500的剖视图，图5b是图像传感器500的像素阵列的顶视图。图5a中的截面是沿图5b中的线5a-5a’截取的。在下面的描述中，图5a和图5b最好放在一起查看。图像传感器500是图像传感器100的实施例。在不脱离其范围的情况下，图像传感器500可以包括比图5a和图5b中描绘的更多或更少的像素。
图像传感器500类似于图像传感器400，除了(a)用平凸微透镜532的微透镜阵列530代替微透镜阵列430，以及(b)用像素512代替像素412。每个像素512类似于像素412，除了具有不同的腔-顶板构造之外。每个像素512形成具有顶板524的腔520，顶板524形成具有横向范围566(例如，直径或边长)的孔522。相对于微透镜432，微透镜532已经被缩小，以实现更高的数值孔径。中间层437的厚度563使得每个微透镜532的焦点在相应的孔522处。由于微透镜532的较高数值孔径，可以使横向范围566小于横向范围466，同时确保令人满意的光耦合到腔520中。每个微透镜532具有直径568和高度565。在一个示例中，每个微透镜532是球面透镜(即，微透镜532的凸透镜表面的表面轮廓是球形的)，高度565约为直径568的一半，微透镜532的折射率约为1.5。在此示例中，根据等式na＝d/(2f)和f＝r/(n-1)(其中d和f分别是微透镜532的直径和焦距，r是微透镜532的凸表面的曲率半径)，每个微透镜532的数值孔径为0.5。根据等式1，在此示例中，dmin＝1.27λ/n，对于λ＝1060纳米，对应于dmin≈900纳米。这是对图像传感器400的实质性改进。与图像传感器400相比，图像传感器500有助于(i)光耦合到腔520中的效率与(ii)腔520的光捕获性能之间的改进折衷。在一个实施例中，横向范围564在500纳米与像素512的像素间距(边长264)的一半之间的范围内。
由于微透镜532的收缩，微透镜阵列530的填充因子小于100％。微透镜532彼此间隔开，使得每对相邻的微透镜532在其之间具有中间层437的平坦表面部分534。最近相邻微透镜532之间具有最小间隔569。间隔569是非零距离，并且直径568小于像素512的边长264(像素间距)。即使微透镜阵列530的光收集效率由于填充因子小于100％而受到影响，但是腔520的改善性能强过这种损耗，从而使图像传感器400的量子效率得到了提高。
图6a和图6b示出了具有微球阵列630的一个光捕获图像传感器600。图6a是图像传感器600的剖视图，图6b是微球阵列630的俯视图。图6a中的截面是沿图6b中的线6a-6a’截取的。在下面的描述中，图6a和图6b最好放在一起查看。图像传感器600是图像传感器100的实施例。在不脱离本发明范围的情况下，图像传感器600可以包括比图6a和图6b所示的更多或更少的像素。
图像传感器600类似于图像传感器500，除了(a)光传输层536被微球阵列630代替，以及(b)像素512被像素612代替。每个像素612类似于像素512，除了形成具有顶板624的腔620之外，顶板624形成具有横向范围666(例如，直径或边长)的孔622。微球阵列630是透镜阵列130的实施例，并且包括微球632的阵列。每个微球632的后焦距很短，并且可以近似地假定为接近零。因此，每个微球632直接设置在以孔622为中心的相应像素612上。根据等式na＝d/(2f)和f＝r/[2(n-1)](其中d、f和r分别是微球632的直径、焦距和半径)，每个微球632的数值孔径为na＝2(n-1)。在一个示例中，微球632的折射率为n＝1.5，因此微球632的数值孔径为1.0。在此示例中，在λ＝1060纳米处，dmin≈450纳米。与图像传感器500相比，图像传感器600的微球阵列630因此促进(i)光耦合到腔620中的效率和(ii)腔620的光捕获性能之间的折衷的进一步改善。在实施例中，横向范围666大于250纳米且小于像素间距的三分之一。
在一个实施例中，每个微球632的直径663近似匹配像素612的边长264(像素间距)。在此实施例中，直径663可以在边长264的90％和100％之间的范围内，并且微球阵列630可以通过将微球体的胶体悬浮液沉积到半导体衬底110上来形成。在另一个实施例中，直径663在边长264的50％到90％之间。在这个实施例中，可以在将完全形成的微球体阵列630放置在像素612阵列上之前模制微球体阵列630。即使微球阵列630的填充因子小于100％，并且因此微球阵列630不收集入射在图像传感器600上的所有光，但腔620的性能改善超过了光收集效率的损失，与图像传感器400和图像传感器500相比，提供了增强的量子效率。
每个孔622可以在半导体衬底110和对应的微球632之间是空的。在替代实施例中，每个孔622可以填充有透明材料，例如低n电介质，其允许光182进入腔620，同时当这样的光以比全内反射的临界角浅的角度入射到低n电介质上时，背向反射在腔620中传播中的光。
图7a和图7b示出了具有滤色微球阵列730的一个光捕获彩色图像传感器700。图7a是图像传感器700的剖视图，图7b是微球阵列730的俯视图。图7a中的截面是沿图7b中的线7a-7a’截取的。在下面的描述中，图7a和图7b最好放在一起查看。在不脱离其范围的情况下，图像传感器700可以包括比图7a和图7b中描绘的像素更多或更少的像素。
图像传感器700是将微球阵列630实现为滤色微球阵列730的图像传感器600的实施例。滤色微球阵列730包括多个微球732r、732g、732b和732ir，其分别选择性地透射红色、绿色、蓝光和近红外光。微球732r、732g、732b和732ir中的每个是微球632的实施例，其包括滤色材料或由滤色材料组成。滤色微球阵列730将微球732r、732g、732b和732ir布置在相同微球组710的阵列中，每个微球组包括一个微球732r、一个微球732g、一个微球732b和一个微球732ir。
在不脱离其范围的情况下，滤色微球阵列730可以用于选择性地透射与红色、绿色、蓝色和近红外不同的一组波长范围。更普遍地，滤色微球阵列730包括相同微球组的阵列，每个微球组包括选择性地透射相应多个不同波长范围内的光的多个微球。
图8a和图8b示出了具有分离的微球和滤色器阵列的一个光捕获彩色图像传感器800。图8a是图像传感器800的剖视图，图8b是图像传感器800的滤色器阵列840的俯视图。图8a中的截面是沿图8b中的线8a-8a’截取的。在下面的描述中，图8a和图8b最好放在一起查看。在不脱离本发明的范围的情况下，图像传感器800可以包括比图8a和图8b中描绘的像素更多或更少的像素。
图像传感器800是图像传感器600的实施例，进一步包括滤色器阵列840，并且其中所有微球632都是相同的，并且基本上透射图像传感器800的整个工作波长范围内的光。由于微球632的后焦距短(接近零)，滤色器阵列840不适合在微球阵列630和像素阵列612之间。相反，滤色器阵列840设置在微球阵列630的顶部，使得微球阵列630被夹在滤色器阵列840和像素612的阵列之间。
滤色器阵列840包括分别选择性地透射红、绿、蓝和近红外光的多个滤色器842r、842g、842b和842ir。滤色器阵列840的每个滤色器被配准到微球阵列630的相应微球632。滤色器阵列840将滤色器842r、842g、842b和842ir布置在相同滤色器组810的阵列中，每个滤色器组810包括一个滤色器842r、一个滤色器842g、一个滤色器842b和一个滤色器842ir。
在不脱离其范围的情况下，滤色器阵列840可以用于选择性地透射与红色、绿色、蓝色和近红外不同的一组波长范围。更普遍地，滤色器阵列840包括相同滤色器组的阵列，每个滤色器组包括选择性地透射相应多个不同波长范围内的光的多个滤色器。
图9a和图9b示出了具有分离的微透镜和滤色器阵列的一个光捕获彩色图像传感器900。图9a是图像传感器900的剖视图，图9b是图像传感器900的滤色光传输层936的俯视图。图9a中的截面是沿图9b中的线9a-9a’截取的。在下面的描述中，图9a和图9b最好放在一起查看。在不脱离其范围的情况下，图像传感器900可包括比图9a和图9b中描绘的更多或更少的像素。
图像传感器900是图像传感器500的实施例，其中光传输层536被实现为滤色光传输层936。滤色光传输层936将中间层437实现为滤色器阵列940。滤色器阵列940包括多个滤色器942r、942g、942b和942ir，分别选择性地透射红、绿、蓝和近红外光。滤色器阵列940的每个滤色器被配准到相应的像素512。滤色器阵列940将滤色器942r、942g、942b和942ir布置在相同滤色器组910的阵列中，每个滤色器组包括一个滤色器942r、一个滤色器942g、一个滤色器942b和一个滤色器942ir。
在不脱离其范围的情况下，滤色器阵列940可以用于选择性地透射与红色、绿色、蓝色和近红外不同的一组波长范围。更普遍地，滤色器阵列940包括相同滤色器组的阵列，每个滤色器组包括选择性地透射相应多个不同波长范围内的光的多个滤色器。
图10以截面图示出了包括具有锯齿状表面轮廓的腔顶板和底板的一个光捕获图像传感器1000，以引入腔内部的光传播的随机性。这种随机性可以改善腔中的光捕获。图像传感器1000是图像传感器600的实施例，将每个像素612实现为像素1012。每个像素1012具有带有顶板1024、底板1026和侧壁228的腔1020。腔1020、顶板1024和底板1026分别是腔620、顶板624和底板226的实施例。顶板1024形成孔622。在每个像素1012中，顶板1024和底板1026中的每个的表面的至少一部分1027是锯齿状的，以使光从顶板1024的反射随机化。在一个示例中，锯齿状表面轮廓通过多个锥体延伸到腔1020中实现。更普遍地，锯齿状的表面轮廓包括与厚度162成不同的倾斜角的多个表面。在一个实施例中，侧壁228是光滑的，这至少是因为在侧壁228上形成锯齿状表面轮廓是具有挑战性的。
尽管图10示出了顶板1024和底板1026两者均在有些地方呈锯齿状，但是在不脱离其范围的情况下，图像传感器1000可以替代地仅实现具有锯齿状表面轮廓的顶板1024和底板1026中的一个。虽然图10示出底板1026的仅一部分是锯齿状的，但是底板1026的全部可具有面对腔1020的锯齿状的表面轮廓，而不脱离其范围。同样在不脱离其范围的情况下，锯齿形特征可以至少部分地由透明材料(例如低n电介质)形成，在这种情况下，锯齿形特征可以跨越孔622。
图11以俯视图示出腔壁1100，具有突出到腔中的多个锥体1127。腔壁1100是顶板1024和底板1026中的任一个的实施例。锥体1127可以跨越腔壁1100的全部或仅仅腔壁1100的一部分。在一个示例中，腔壁1100是腔底板，并且腔壁1100的中央部分1129没有锥体1127，而是容纳用于将光生电荷转移出腔1020的一个或多个栅极。
图12示出了具有延伸到腔中的低n电介质锥体的一个光捕获图像传感器1200。图像传感器1200是图像传感器1000的实施例，将腔壁1100实施为腔底板和腔顶板两者。图像传感器1200包括多个像素1212(像素1012的实施例)。每个像素1212形成具有顶板1224和底板1226的腔1220。顶板1224包括金属层1225和突出到腔1220中的低n电介质锥体1227(锥体1127的示例)。锥体1227跨过孔622并且用于减小入射到孔622上的光从微球632的背射。金属层1225被由低n电介质填充的孔622中断。顶板1224的锥体1227的基底可以在金属层1225的面向腔1220的表面处，或者锥体1227的基底可以通过低n电介质的连续层与金属层1225间隔开。底板1226包括金属层1228和突出到腔1220中的低n电介质锥体1227。
可选地，如图12中所示，每个底板1226的中央部分没有锥体1227，而是容纳一个或多个栅极1252，用于将来自光电二极管1250的光生电荷转移到腔1220之外。为了清楚起见，栅极1252和光电二极管1250在图12中仅在一个像素1212中描绘。金属层1228可以参与光生电荷的读出。在一个实施方式中，金属层1228可以在栅极1252下方被中断，以允许从栅极1252到连接层240的另一金属层的接触。
在顶板1224和底板1226的每个中，低n电介质材料背向反射以比全内反射的临界角浅的角度入射的光。当半导体衬底110是硅基衬底并且低n电介质材料的折射率为1.45时，全内反射的临界角为大约25度(相对于表面法线)。因此，对于大多数入射角，低n电介质材料将通过全内反射来使光背向反射。相反地，以比临界角更陡的角度入射的光被金属层背向反射。
图13示出了利用低n电介质和金属的组合来形成腔1320的一个光捕获像素1300。腔1320的每个壁包括衬有低n电介质的金属。像素1300是像素1212的实施例，与连接层240的相应部分(在图13中显示为连接层部分1340)相结合。腔1320包围光电二极管1250。腔1320的顶板包括形成孔622的金属层1325和低n电介质，低n电介质(a)作为金属层1325面对腔1320的一侧的衬里，并且(b)形成锥体1227。腔1320的底板包括金属层1328，并且低n电介质(a)作为金属层1328面对腔1320的一侧的衬里，并且(b)形成锥体1227。腔1320的底板在中心位置没有锥体，在此中心位置，栅极1252通过金属层1328中的开口将光生电荷传导出腔1320，到达金属连接1342。金属层1328可以连接至栅极1252的一部分以参与光生电荷的读出。腔1320的每个侧壁包括具有低n电介质衬里1338的金属壁1339。在替代实施例中，锥体1227由平坦的低n电介质衬里代替。每个锥体1227可具有在0.2和1.0微米之间的范围内的深度1360。在像素1300中，低n电介质可以是氧化物，例如二氧化硅。
像素1012、1212和1300中的每个以及以上参考图10至图13讨论的相关实施例可以在图像传感器400、500、600、700、800和900中的任何一个中实现，而不脱离其范围。
图14示出了用于制造光捕获图像传感器100的一种方法1400。方法1400包括步骤1420、1430和1450。方法1400将半导体衬底110作为输入。步骤1420在像素之间形成侧壁228。步骤1420可以执行步骤1422，步骤1422在半导体衬底110的像素之间形成深沟槽隔离，使得该深沟槽隔离形成侧壁228的至少一部分。步骤1430在半导体衬底110的正面背面上沉积金属或低n电介质材料，以分别形成顶板224和底板226的至少一部分。
步骤1450在半导体衬底110的背面上将透镜阵列130沉积在顶板224的顶部上或设置在顶板224的顶部的滤色器阵列(如果存在)的顶部上。在一个实施例中，步骤1450包括在像素上沉积微球632以形成微球阵列630的步骤1452。步骤1452可以包括步骤1454和1456中的任一个。步骤1454在图案化的表面上沉积微球632，例如如mitsui等人在2009年，第11届透明光网络国际会议上在“microdemultiplexerfabricatedbyself-assemblyofmicrospheresonapatternedsubstrate”中所讨论的，其全部内容通过引用合并于此。步骤1456使用扩散光刻和塑性复制形成微球阵列，例如，如chang等人在“shape-controlled,highfill-factormicrolensarraysfabricatedbya3ddiffuserlithographyandplasticreplicationmethod”，opticsexpress，2004,卷12,号25,页6366–6371中所讨论的，其全部内容通过引用合并于此，此后将微球阵列沉积在半导体衬底110上。在另一个实施例中，步骤1450包括形成微透镜阵列430或530的步骤1458。
在某些实施例中，步骤1430之前是在半导体衬底110的背面和/或正面上形成锯齿状表面轮廓的步骤1410。步骤1410可以包括在半导体衬底110中光刻地形成倒锥体凹槽，例如通过激光干涉光刻和随后的使用反应性离子刻蚀然后进行koh刻蚀的图案转移工艺，如amalrajpeteramalathas和maanm.alkaisi(2018年5月2日)在“fabricationandreplicationofperiodicnanopyramidstructuresbylaserinterferencelithographyanduvnanoimprintlithographyforsolarcellsapplications,micro/nanolithography-aheuristicaspectontheenduringtechnology”jagannathanthirumalai，intechopen，doi：10.5772/intechopen.72534中概述的那样，(这可从https：//www.intechopen.com/books/micro-nanolithography-a-heuristic-aspect-on-the-enduring-technology/fabrication-and-replication-periodic-nanopyramid-structures-by-laser-interference-lithography获得，并且通过引用将其全部内容并入本文。
实现步骤1458的方法1400的实施例可以进一步包括在步骤1450之前，在半导体衬底110上沉积滤色器阵列940的步骤1440。实现步骤1452的方法1400的实施例可以在步骤1450之后进一步包括步骤1460，将滤色器阵列840沉积在微球阵列630上。
图15以曲线1510绘制在图像传感器600的一个示例中在1060纳米的波长处随微球632的直径663变化的有限差分时域(fdtd)模拟量子效率，图像传感器600(a)的特征在于边长264(像素间距)为1.1微米，厚度162为6微米，微球632的折射率为1.5，横向范围666为0.6微米，半导体衬底110为硅衬底，并且(b)将每个像素612实现为像素1300，其中金属层1325、1328和1338是铝，低n电介质是二氧化硅，顶板具有锥体1227的3x3阵列，以及底板具有锥体1227的3x3阵列，省略了中央锥体1227。曲线1510在1.8微米的微球直径处达到量子效率为30％的峰值(请参见点1512)。为了比较，图15还以线1530的方式绘制了对于不具有光捕获腔，但是通过硅衬底的光接收表面中的每个像素单个倒置锥体减小背向反射而增强的图像传感器所实现的相应量子效率。图15示出了光捕获图像传感器600的示例相对于非光捕获图像传感器表现出三倍的改进。
图16绘制了对于图像传感器400和500的示例，在1060纳米的波长处随着对中间层437的厚度的校正变化的fdtd模拟量子效率。曲线1610是图像传感器500的一个示例的fdtd模拟量子效率，图像传感器500(a)其特征在于，边长264(像素间距)为1.1微米，厚度162为6微米，微透镜532的折射率为1.5，横向范围566为0.6微米，并且半导体衬底110为硅衬底，以及(b)将每个像素512实现为像素1300，其中金属层1325、1328和1338是铝，低n电介质是二氧化硅，顶板具有锥体1227的3x3阵列，以及底板具有锥体1227的3x3阵列，其中中心锥体1227被省略。曲线1620是图像传感器500的对应示例的fdtd模拟量子效率。对于曲线1610，填充因子是78％。对于曲线1620，填充因子为99％。为了比较，图16还绘制了图15的线1530。图16示出了具有78％的微透镜填充因子的图像传感器500优于具有99％的微透镜填充因子的图像传感器400，而图像传感器400和500两者都优于与线1530相关联的非光捕获图像传感器。在图16的示例中，图像传感器500的量子效率在13％处达到峰值(见点1622)，并且图像传感器400的量子效率在23％处达到峰值(见点1612)。比较图15和图16，很明显，至少在这些示例中，图像传感器600表现出对图像传感器400和图像传感器500的改进。
特征组合
上面描述的特征以及下面要求保护的特征可以以各种方式组合而不脱离其范围。例如，将理解的是，本文描述的一个光捕获图像传感器或相关方法的各方面可以结合或交换本文描述的另一种光捕获图像传感器或相关方法的特征。以下示例说明了上述实施例的一些可能的非限制性组合。应当清楚，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文的方法、产品和系统进行许多其他改变和修改：
(a1)一种光捕获图像传感器包括像素阵列和透镜阵列。像素阵列形成在半导体衬底中和半导体衬底上，并且包括光敏像素，每个光敏像素包括反射材料，反射材料形成围绕半导体材料的一部分的腔，以至少部分地捕获进入腔的光。腔在半导体衬底的光接收表面处具有顶板，并且顶板形成用于将光接收到腔中的孔。透镜阵列设置在像素阵列上。透镜阵列的每个透镜与相应腔的孔对准，以将光通过孔聚焦到腔中。
(a2)被表示为(a1)的图像传感器可以是背面照射的互补金属氧化物半导体图像传感器，并且半导体材料可以是硅。
(a3)在表示为(a1)和(a2)的图像传感器中的任何一个中，每个透镜可以是微球。
(a4)在表示为(a3)的图像传感器中，每个微球可以直接设置在相应的一个光敏像素上。
(a5)在表示为(a3)和(a4)的图像传感器中的任一个中，像素阵列可以是矩形阵列，其中，光敏像素沿着像素阵列的行和列具有像素间距，并且每个微球的直径可以等于像素间距。
(a6)表示为(a3)至(a5)的任何图像传感器可以是彩色图像传感器，还包括设置在透镜阵列上方的滤色器阵列，以在光被微球聚焦之前对光进行光谱滤波，其中滤色器阵列是相同滤色器组的阵列，每个滤色器组包括用于透射相应多个光谱范围中的光的多个滤色器。
(a7)表示为(a3)至(a5)的任何图像传感器可以是彩色图像传感器，其中每个微球由滤色材料形成，以在聚焦光的同时对光进行光谱滤波，并且其中透镜阵列是相同微球组的阵列，每个微球组包括用于选择性地透射相应多个光谱范围内的光的多个微球。
(a8)在表示为(a6)和(a7)的任一图像传感器中，半导体材料可以是硅，并且光谱范围中的一个可以包括近红外波长。
(a9)在由(a1)和(a2)表示的图像传感器中的任一个中，每个透镜可以是具有凸表面的平凸微透镜，凸表面用于将光接收到平凸微透镜中。
(a10)在表示为(a9)的图像传感器中，透镜阵列可具有小于100％的填充因子，以使每个平凸微透镜与其相邻的每个平凸微透镜分开非零的距离。
(a11)在由(a9)和(a10)表示的图像传感器中的任一个中，每个平凸微透镜的焦点可以在相应腔的孔处。
(a12)被表示为(a9)至(a11)的任何图像传感器可以是彩色图像传感器，还包括布置在像素阵列和透镜阵列之间的滤色器阵列，其中滤色器阵列是相同滤色器组的阵列，每个滤色器组包括用于透射相应的多个光谱范围内的光的多个滤色器。
(a13)在表示为(a12)的图像传感器中，半导体材料可以是硅，并且光谱范围中的一个可以包括近红外波长。
(a14)在表示为(a1)至(a13)的任何图像传感器中，顶板可以包括金属。
(a15)在表示为(a1)至(a14)的任何图像传感器中，每个腔还可以具有底板，以及在底板和顶板之间延伸的侧壁，其中，对于每个腔，底板包括用于将光生电荷传导出腔的相应金属触点。
(a16)在表示为(a1)到(a14)的任何图像传感器中，每个腔还可以具有底板以及在底板和顶板之间延伸的侧壁，其中，对于每个腔，侧壁包括深沟槽隔离。
(a17)在表示为(a16)的图像传感器中，深沟槽隔离可以包括金属和作为金属衬里的氧化物层。
(a18)在表示为(a16)和(a17)的任一图像传感器中，侧壁可以在相邻的光敏像素之间共享，以便在深沟槽隔离在相邻的第一光敏像素和第二光敏像素之间的情况下，深沟槽隔离的金属或低折射率电介质衬有面对第一光敏像素的第一氧化物层和面对第二光敏像素的第二氧化物层。
(a19)在表示为(a1)至(a14)的任何图像传感器中，每个腔还可以具有底板以及在底板和顶板之间延伸的侧壁，其中，对于每个腔，底板和顶板中的一个或两个是至少部分锯齿状的。
(a20)在表示为(a19)的图像传感器中，底板和顶板中的一个或两个的锯齿状部分可以具有延伸到被腔包围的半导体材料中的锥体。
在不脱离本发明范围的情况下，可以对以上系统和方法进行改变。因此应注意，以上描述中包含的以及附图中所示的内容应解释为说明性的，而不是限制性的。所附权利要求旨在覆盖本文所述的一般和特定特征，以及本系统和方法的范围的所有陈述，就语言而言，可以认为其介于两者之间。
1.一种光捕获图像传感器，包括：
像素阵列，形成在半导体衬底中和半导体衬底上，并且包括光敏像素，每个光敏像素包括反射材料，所述反射材料在半导体材料的一部分周围形成腔，以至少部分地捕获进入腔的光，腔在半导体衬底的光接收表面处具有顶板，并且所述顶板形成用于将光接收到腔中的孔；以及
透镜阵列，布置在像素阵列上，透镜阵列的每个透镜与相应腔的孔对准，以将光通过孔聚焦到腔中。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述图像传感器是背面照射的互补金属氧化物半导体图像传感器，所述半导体材料是硅。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，每个透镜是微球。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，每个微球直接设置在相应的一个光敏像素上。
5.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述像素阵列是矩形阵列，所述光敏像素具有沿着所述像素阵列的行和列的像素间距，每个微球的直径等于所述像素间距。
6.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述图像传感器是彩色图像传感器，还包括设置在所述透镜阵列上方的滤色器阵列，以在光被所述微球聚焦之前对光进行光谱滤波，所述滤色器阵列是相同滤色器组的阵列，每个滤色器组包括用于透射相应的多个光谱范围内的光的多个滤色器。
7.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述图像传感器为彩色图像传感器，每个微球由滤色材料形成，以在聚焦光的同时对光进行光谱滤波，所述透镜阵列为相同微球组的阵列，每个微球组包括用于选择性地透射相应的多个光谱范围内的光的多个微球。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中，所述半导体材料是硅，所述光谱范围中的一个包括近红外波长。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，每个透镜是具有凸表面的平凸微透镜，凸表面用于将光接收到所述平凸微透镜中。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，所述透镜阵列具有小于100％的填充因子，使得每个平凸微透镜与其相邻的平凸微透镜中的每一个相隔非零的距离。
11.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，每个平凸微透镜的焦点在相应腔的孔处。
12.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，所述图像传感器是彩色图像传感器，还包括设置在所述像素阵列和所述透镜阵列之间的滤色器阵列，所述滤色器阵列是相同滤色器组的阵列，每个滤色器组包括用于透射相应的多个光谱范围中的光的多个滤色器。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述半导体材料是硅，所述光谱范围中的一个包括近红外波长。
14.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述顶板包括金属。
15.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，每个腔还具有底板以及在所述底板和所述顶板之间延伸的侧壁，其中，对于每个腔，所述底板包括相应的金属触点，用于将光生电荷传导出所述腔。
16.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，每个腔还具有底板以及在所述底板和所述顶板之间延伸的侧壁，其中，对于每个腔，所述侧壁包括深沟槽隔离。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，所述深沟槽隔离包括：
金属；以及
作为所述金属衬里的氧化物层。
18.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，所述侧壁在相邻的光敏像素之间共享，使得在所述深沟槽隔离在相邻的第一光敏像素和第二光敏像素之间的情况下，所述深沟槽隔离的金属或低折射率电介质衬有面对第一光敏像素的第一氧化物层和面对第二光敏像素的第二氧化物层。
19.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，每个腔还具有底板以及在所述底板和所述顶板之间延伸的侧壁，其中，对于每个腔，所述底板和所述顶板中的一个或两个是至少部分锯齿状的。
20.根据权利要求19所述的图像传感器，其中，所述底板和顶板中的一个或两个的锯齿状部分具有延伸到由所述腔包围的所述半导体材料中的锥体。
技术总结