用于图像传感器的包括二重或者四重硅纳米线的全色彩单个像素

交叉引用相关的申请

此申请和美国专利申请列号12/204,686(授予美国专利号7,646,943), 12/648,942,12/270,233,12/472,264,12/472,271,12/478,598,12/573,582, 12/575,221,12/633,323,12/633,318,12/633,313,12/633,305,12/621,497, 12/633,297,61/266,064,61/357,429,61/306,421,61/306,421,12/945,492, 12/910,664,12/966,514,12/966,535和12/966,573相关，其中披露在此被全 部内容包含引用。

技术领域

背景技术

一个图像传感器可制作为在（笛卡尔）方格里具有一般超过1百万个的大量的 传感器组件（像素）。像素可以是光电二极管，或其它可操作的将电磁辐射（光） 转换成电信号的感光组件。

半导体技术的最新进展使制造纳米结构，如碳纳米管，纳米空腔和纳米线成为 可能。纳米结构的光学特性已经成为最近的研究重点之一。在现有的纳米结构中， 因为纳米线作为光电传感器组件的实用性引起很大的兴趣。一个具有纳米线的独特 光学性质的图像传感器是可取的。

发明内容

本文所述的一图像传感器，包括一个基板和基板上的一个或多个像素，其中每 个像素包括一第一子像素和一第二子像素；该第一子像素包括一第一纳米线，其 可操作性地在一第一波长光照射后产生一电信号；该第二子像素包括一第二纳米 线，其可操作性地在与第一波长不同波长的一第二波长光照后产生电信号；该第一 纳米线和第二纳米线基本垂直延伸于基板。此处所用的术语“图像传感器”是指将 光学图像转换成电信号的设备。图像传感器可用于数码相机和其它成像设备。图像 传感器的例子包括电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）主动式 像素传感器。此处使用的术语“像素”是指图像传感器的最小可寻址光传感组件。 每个像素都是单独寻址。图像传感器的像素可以安排在一个二维的网格中。每个像 素对投射到图像传感器的小面积图像的例如色彩和强度的特点采样。像素采样的色 彩可以用三个或四个分量强度，如红色、绿色和蓝色，或青色、洋红色、黄色、黑 色来代表。由于种种原因，许多图像传感器不能够感应在同一位置的不同的色彩。 因此，每个像素被分为被称为“子像素”的区域，其中每个区域能够感应一个单一 色彩。一个像素采样的色彩可以从像素中的子像素感应到的单一色彩来计算出来。 此处使用的术语纳米线“基本垂直延伸于基板”是指纳米线和基板之间的角度从85 °到90°。此处使用的术语“纳米线”是指一结构，其大小在最多两个维度上被限 制为最多1000纳米，并在其它维度上无约束。

根据一个实施例，该图像传感器的每个像素还包括位于基板和纳米线之间的一 个或多个光电二极管。此处使用的术语“光电二极管”是指能够将光转换为电流或 电压的光电探测器类型。光电二极管可以有一个p-n结或p-i-n结。当有足够能量 的光子撞击光电二极管时，它激发一个电子从而创造一个自由电子和一个空穴。电 子和空穴可以被光电二极管电极作为电流或电压收集。

根据一个实施例，该基板包括硅、氧化硅、氮化硅、蓝宝石、金刚石、碳化硅、 氮化镓、锗、铟镓砷化物、硫化铅和/或其组合。

根据一个实施例，该图像传感器至少有一个像素包括一个包覆层。该至少一个 像素的第一子像素和第二子像素嵌入包覆层中。此处使用的术语“包覆层”是指围 绕子像素的一层物质。此处所用的术语“嵌入”是指围绕或密切覆盖某物。

根据一个实施例，该图像传感器还包括像素之间空间中的一材料。

根据一个实施例，该包覆层包括氮化硅、氧化硅、和/或其组合。

根据一个实施例，该包覆层是对可见光基本透明。

根据一个实施例，该第一纳米线和该第二纳米线的折射率等于或大于该包覆层 的折射率。

根据一个实施例，该材料的折射率小于该包覆层的折射率。

根据一个实施例，该第一纳米线和该第二纳米线具有不同的吸收谱。此处所用 的术语“吸收”是指在一特定波长的吸收光的比例。此处使用的术语“吸收谱”是 指作为波长的函数的吸收。

根据一个实施例，该第一纳米线和该第二纳米线有至少100纳米的距离。

根据一个实施例，每个该第一纳米线和第二纳米线都有一个p-n或p-i-n结。 此处使用的术语“p-i-n结”是夹在一个p型半导体区域和n型半导体区域之间的 一轻掺杂或本征半导体结构。为欧姆接触，该p型和n型区域可以重掺杂。此处使 用的术语“p-n结”是指具有p型半导体区域与n型半导体区域相互接触的一结构。

根据一个实施例，该电信号包括电压、电流、电导或电阻、和/或其改变。

根据一个实施例，该第一纳米线和/或该第二纳米线具有一表面钝化层。此处 使用的术语“钝化”和“钝化”是指消除悬键（即固定原子的非饱和价）的过程。

根据一个实施例，该图像传感器是可操作地大幅吸收（如>50％，>70％，或>90 ％）入射其上的可见光（波长约390至750纳米的光）。此处使用的吸收>50％，70 ％或90％所有可见光是指图像传感器的吸收率在整个可见光谱（约390至750纳米 波长）分别大于50％，大于70％，或大于90％。

根据一个实施例，该图像传感器还包括可操作地检测由第一纳米线和第二纳米 线产生的电信号的电子电路。

根据一个实施例，该第一纳米线和该第二纳米线包含硅。

根据一个实施例，该第一纳米线半径约为25纳米（例如从23至27纳米），并 且该第二纳米线半径约为40纳米（例如从38至42纳米）。

根据一个实施例，该包覆层具有直径约300纳米（例如280至320纳米）的一 圆柱形。

根据一个实施例，该像素有不同的取向。此处使用的术语“不同取向”如图1B 和2B所示，是指一个像素相对其一邻近像素的旋转和横向偏移。

根据一个实施例，该光电二极管的吸收谱和该第一纳米线和第二纳米线的吸收 谱不同。此处使用的两个吸收谱“不同”是指该吸收谱在一个或多个波长有不同吸 收。

根据一个实施例，每个像素还包括一第三子像素，并且该第三子像素包括一第 三纳米线，其在与第一和第二波长不同的一第三个波长的光照后可操作性地产生电 信号，其中该第三纳米线基本垂直延伸于基板。

根据一个实施例，该第三纳米线包含硅。

根据一个实施例，该第三纳米线半径约为45纳米（例如，从42至48纳米）。

根据一个实施例，该图像传感器还包括每个像素上面的耦合器，每个耦合器有 一凸面可以有效的大幅集中所有入射其上的可见光到包覆层中。

根据一个实施例，每个耦合器具有其下像素大致相同的占用面积。此处所用的 术语“占用面积”是指如像素或耦合器的一个结构在基板上的垂直投影面积。

根据一个实施例，该图像传感器包括可操作性地防止红外光达到像素的一个红 外滤光片。此处使用的术语“红外光”是指波长在0.7和300微米之间的电磁辐射。 此处使用的术语“红外滤光片”是指可操作性地反射或阻止红外光，同时允许可见 光通过的一个设备。

根据一个实施例，该图像传感器不包括一个红外滤光片。

根据一个实施例，该第一纳米线和/或第二纳米线其内或其上包括一晶体管。 此处使用的“晶体管”是指用于放大和转换电子信号的半导体器件。它是由一个固 态半导体材料组成，至少有三个连接到外部电路的终端。对晶体管的一对终端施加 电压或电流可以改变通过另一对终端的电流。

根据一个实施例，该图像传感器还包括可操作地检测光电二极管电信号的电子 电路。

根据一个实施例，图像传感器的一制造方法，包括干式蚀刻或VLS生长，其中 该图像传感器包括一基板和基板上的一个或多个像素，其中每个像素包括一第一 子像素和一第二子像素，该第一子像素包括一第一纳米线，其可操作性地在一第 一波长光照后产生一电信号；该第二子像素包括一第二纳米线，其可操作性地在 和第一波长不同的一第二波长光照射后产生一电信号；该第一和第二纳米线基本垂 直延伸于基板。VLS生长是从化学气相沉积法生长一个如纳米线的一维结构的方 法。一般通过固体表面上的气相直接吸附的晶体生长非常缓慢。VLS生长通过引入 可以迅速吸附蒸汽达到饱和水平的一个催化液态合金相，避免了这个缺陷，晶体生 长随后发生在液固界面的核种子上。以这种方式生长的纳米线的物理特性以一个可 控的方式取决于液态合金的大小和物理性质。

根据一个实施例，遥感图像的一方法包括：将该图像投射到一图像传感器，其 中该图像传感器包括一基板和该基板上的一个或多个像素，其中每个像素包含一第 一子像素和一第二子像素，该第一子像素包括一第一纳米线，其经一第一波长的光 照后可操作性地产生一电信号；该第二子像素包括一第二纳米线，其经一与第一 波长不同波长的第二波长的光照后可操作性地产生一电信号；该第一和第二纳米线 基本垂直延伸于基板；从该第一纳米线和第二纳米线检测电信号；从电信号计算每 个像素的色彩。

附图说明

目前披露的实施例现在将被以例子方式披露，参考随附示意图，其中相应的参 考符号表示相应部分，其中：

图1A显示了根据一个实施例的一图像传感器的截面示意图。

图1B显示了图1A的图像传感器的俯视示意图。

图1C显示了图1A的图像传感器的一像素的两个子像素中的两个纳米线的示例 吸收谱，和图1A的图像传感器基板上的一光电二极管。

图2A显示了根据一个实施例的一图像传感器的截面示意图。

图2B显示了图2A的图像传感器的俯视示意图。

图2C显示了图2A的图像传感器的一像素的三个子像素中的三个纳米线的示例 吸收谱，和图2A的图像传感器的基板。

图2D显示了图2A的图像传感器的一像素的四个子像素中的四个纳米线的示例 吸收谱，和图2A的图像传感器的基板。

图3显示了一耦合器的示意图和红外滤光片。

图4显示了示例图像传感器的三个子像素的颜色匹配函数，和CIE标准观察者 的颜色匹配函数。

具体实施方式

在下文详细描述中，参考形成本文之一部分的随附图式。在图式中，类似符号 通常表示类似组件，除非上下文中另有规定。详细描述、图式及申请专利范围中所 描述的阐释性实施例并不意味着限制。可在不脱离本文所提出的主题精神或范围的 情况下使用其它实施例并进行其它变更。

人类的眼睛具有对于中等和高亮度彩色视觉的感光器（称为视锥细胞），其灵 敏度峰值在短波长（S,420-440纳米）、中波长（M,530-540纳米）、和长波长（L, 560-580纳米）（还有低亮度单色“夜视”的受体，称为视杆细胞，其灵敏度峰值在 490-495纳米）。因此，在原则上，三个参数描述了一种色彩的感觉。色彩的三刺 激值是三组分的加色模式用来匹配测试色彩的三个原色的数值。在CIE1931色彩 空间中，三刺激值是最常用X、Y和Z表示。

在CIE XYZ色彩空间，三刺激值不是人眼的S、M和L的反应，而是一套称为X、 Y和Z的三刺激值，其大约分别是红色、绿色和蓝色（注意，X、Y、Z值并不是实 际观察到的红色、绿色、蓝色。或者说，他们可以被认为是红、绿、蓝三色的“派 生”参数）。包含各种波长不同混合的光的两个光源可能会出现相同的色彩；这种 效应被称为同色异谱。当两个光源有相同的三刺激值时，无论什么样光谱分布被用 来产生这两个光源，两个光源对于观察者具有相同的表观色彩。

基于视锥细胞在眼睛里的分布本质，三刺激值取决于观察者的视野。为了消除 这个变量，CIE定义了标准（比色法）观察者。最初这是一个普通人通过2°角观察 的色彩反应，这是基于认为对色彩敏感的视锥细胞位于视网膜中央凹2°的弧内的 看法。因此，CIE1931标准观察者也被称为CIE19312°标准观察者。一个更现代 但较少使用的另一种方法是CIE196410°标准观察者，其基于stiles,Burch,和 Speranskaya的工作。

颜色匹配函数是如上所述的观察者的色彩反应的数值描述。

CIE定义了三个颜色匹配函数的集合，称,和，其可以被认 为是产生了CIE XYZ三刺激值X、Y和Z的三个线性光传感器的光谱灵敏度曲线。 这些函数被统称为CIE标准观察者。

一个具有光谱功率分布I(λ)的色彩的三刺激值根据标准观察者为： $X=\underset{0}{\overset{\infty }{\int }}I\left(\lambda \right)\bar{x}\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda },$$Y=\underset{0}{\overset{\infty }{\int }}I\left(\lambda \right)\bar{y}\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda },$$Z=\underset{0}{\overset{\infty }{\int }}I\left(\lambda \right)\bar{z}\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda },$其中λ是等价的单色光的波 长（纳米）。

具体实施例

图1A显示了根据一个实施例的图像传感器100部分截面示意图。图像传感器 100包括一个基板110，一个或多个像素150。至少有一个像素150包括一个包覆层 140和嵌入在包覆层140内的多个子像素。两个子像素151和152在图1A作为一个 例子显示。每个子像素包括一纳米线（例如，在子像素151中的纳米线151a和子 像素152中的纳米线152a）基本垂直延伸于基板110。优选的，像素150之间的空 间由材料160填充。每个像素150可以进一步包括位于基板110和纳米线151a和 152a之间的一个或多个光电二极管120。

基板110可以包括任何合适的材料，如硅，氧化硅，氮化硅，蓝宝石，金刚石， 碳化硅，氮化镓，锗，铟镓砷化物，硫化铅，和/或其组合。

光电二极管120可以是任何合适的光电二极管。光电二极管120可以有任何合 适电路的一个p-n结和p-i-n结。光电二极管120优选的有一个完全围绕包覆层140 占用面积的占用面积。

包覆层140可以包括任何合适的材料，如氮化硅，氧化硅，和/或其组合。优 选的，包覆层140对可见光是大幅透明，优选的透光率至少为50％，更优选的至少 为70％，最优选的至少为90％。一个例子中，包覆层140是氮化硅并且为一个直 径约300纳米的圆柱形。

材料160可以包括任何合适的材料，如二氧化硅。优选的，材料160的折射 率是小于包覆层140的折射率。

子像素（例如151和152）中的纳米线（如纳米线151a和152a）的折射率等 于或大于包覆层140的折射率。纳米线（如纳米线151a和152a）和光电二极管120 有不同的吸收光谱。例如，纳米线151a在蓝色波长具有强烈吸收率，如图1C的示 例吸收谱181所示；纳米线152a在绿色波长具有强烈的吸收率，如图1C的示例吸 收谱182所示；光电二极管120在红色波长具有强烈吸收率，由图1C的示例吸收 谱180所示。纳米线可以有不同的直径和/或不同的材料。像素150中的每个纳米 线到相同像素中最近的邻近纳米线的距离优选的至少为100纳米，更优选的至少为 200纳米。纳米线可以在包覆层140的任何合适的位置。

子像素（如151和152）中的纳米线（如纳米线151a和152a）具有在接到光 后产生电信号的可操作性。一个示例纳米线是一个包含p-n或p-i-n结的光电二极 管，其细节可见美国专利申请公布号12/575,221和12/633,305，其中每个在此处 被全文包含引用。电信号可以包括电压、电流、电导或电阻、和/或其的改变。该 纳米线可以有一个表面的钝化层。

实质上所有入射于图像传感器100的可见光（如>50％，>70％，或>90％）是 由子像素（如151和152）和光电二极管120吸收。子像素和光电二极管吸收不同 波长的光。

图像传感器100可以进一步包括电子电路190，其具有从子像素和光电二极管 120检测电信号的可操作性。

在一个具体的例子中，每个像素150有两个子像素151和152。每个子像素151 和152分别只有一个纳米线（如纳米线151a和152a）。纳米线151a包括硅，半径 约为25纳米，并在蓝色波长有强烈的吸收率。纳米线152a包括硅，半径约为40 纳米，并在青色波长有强烈的吸收率。纳米线151a和152a相距约200纳米，但位 于同一个包覆层140中。根据一个实施例，每个像素150可以有两个以上的子像素。 该纳米线可以包含其它合适的材料如碲镉汞。该纳米线可以有其它合适的半径，如 从10纳米到250纳米。

图1B显示了图像传感器100部分俯视示意图。如示例图1B所示，像素150可 以有不同的取向，从而降低或消除入射光方向的影响。

在一个实施例中，图像传感器100每个像素150的子像素151和152和光电二 极管150具有颜色匹配函数，其函数和CIE1931 2°标准观察者或CIE1964 10° 标准观察者的颜色匹配函数大致一样。

图2A显示了根据一个实施例的图像传感器200的局部截面示意图。图像传感 器200包括一个基板210，一个或多个像素250。优选的，该基板210其中不包括 任何光电二极管。至少有一个像素250包括一个包覆层240和多个嵌入在包覆层240 内的子像素。图2A显示了三个子像素251，252和253作为一个例子。每个子像素 包括一纳米线（例如在子像素251中的纳米线251a，子像素252中的纳米线252a， 和子像素253中的纳米线253a）基本垂直延伸于基板210。优选的，像素250之间 的空间由材料260填充。

基板210可以包括任何合适的材料，如硅，氧化硅，氮化硅，蓝宝石，金刚石， 碳化硅，氮化镓，锗，铟镓砷化物，铅硫化物和/或其组合。

包覆层240可以包括任何合适的材料，如氮化硅，氧化硅等。优选的，包覆层 240对可见光大幅透明，优选的透光率至少为50％，更优选的至少为70％，最优 选的至少为90％。一个例子中，包覆层240是氮化硅并且为一个直径约300纳米的 圆柱形。

材料260可以包括任何合适的材料，如二氧化硅。优选的，材料260的折射 率是小于包覆层240的折射率。

子像素（例如251和252和253）中的纳米线（如纳米线251a、252a和253a） 的折射率等于或大于包覆层240的折射率。纳米线和基板210有不同的吸收光谱。 例如，纳米线251a在蓝色波长具有强烈吸收率，如图2C的示例吸收谱281所示； 纳米线252a在绿色波长具有强烈的吸收率，如图2C的示例吸收频谱282所示；纳 米线253a在整个可见光谱区具有强烈吸收率，由图2C的示例吸收谱283所示；基 板210在红色波长具有强烈的吸收率，如图2C的示例吸收谱280所示。纳米线可 以有不同的直径和/或不同的材料。一个像素250中的每个纳米线到相同像素中最 近的邻近纳米线的距离优选的至少为100纳米，更优选的至少为200纳米。包覆层 240中的纳米线可以在包覆层240中的任何合适的位置。纳米线可以有一个表面钝 化层。纳米线可以包含其它合适材料，如碲镉汞。纳米线可以有其它合适的半径， 如从10纳米到250纳米。

子像素（如251、252和253）中的纳米线（如纳米线251a、252a和253a） 具有在接到光后产生电信号的可操作性。一个示例纳米线是一个包含p-n或p-i-n 结的光电二极管，其细节可见美国专利申请公布号12/575,221和12/633,305，其 中每个在此处被全文包含引用。电信号可以包括电压、电流、电导或电阻，和/或 其的改变。

实质上所有入射于图像传感器200的可见光由子像素（如251、252和253）吸 收。子像素吸收不同波长的光。

图像传感器200可以进一步包括电子电路290，其具有从子像素检测电信号的 可操作性。

在一个具体的例子中，每个像素250有三个子像素251、252和253。每个子像 素251、252和253分别只有一个纳米线251a、252a和253a。纳米线251a包括硅， 半径约为25纳米，并在蓝色波长有强烈的吸收率。纳米线252a包括硅，半径约为 40纳米，并在绿色波长有强烈的吸收率。纳米线253a包括硅，半径约为45纳米， 并在整个可见光谱有强烈的吸收率。纳米线251a、252a和253a相距约200纳米， 但位于同一个包覆层240中。该包覆层240是直径约400纳米的圆柱体形状。根据 一个实施例，每个像素250可以有超过三个子像素。

在另一个特定的例子中，每个像素250有四个子像素251、252、253和254。 每个子像素251、252、253和254分别只有一个纳米线（纳米线251a、252a、253a 和254a）。纳米线251a包括硅，半径约为25纳米，并在蓝色波长有强烈的吸收率。 纳米线252a包括硅，半径约为40纳米，并在绿色波长有强烈的吸收率。纳米线253a 包括硅，半径约为45纳米，并在整个可见光谱有强烈的吸收率。纳米线254a包括 硅，半径约为35纳米，并在蓝绿色波长（约400到550纳米）有强烈的吸收率。 纳米线251a、252a、253a和254a相距约200纳米，但位于同一个包覆层240中。 该包覆层240是直径约400纳米的圆柱体形状。图2D分别显示了纳米线251a、252a、 253a和254a的吸收谱291、292、293和294。

图2B显示了图像传感器200部分俯视示意图。如示例图2B所示，像素250可 以有不同的取向，从而降低或消除入射光方向的影响。

根据一个实施例，图像传感器100或200可进一步包括位于每个像素150或250 上面的耦合器350，如图3所示。每个耦合器350优选的和下方的像素具有基本相 同的占用面积，并且有一个凸起的表面。该耦合器350有效的将入射其上的所有可 见光聚焦到包覆层140或240上。

根据一个实施例，如图3所示，图像传感器100或200可以进一步包括一个红 外滤光片360，其具有防止如波长超过650纳米的红外光达到像素的可操作性。根 据一个实施例，图像传感器100或200不包括一个红外滤光片。

根据一个实施例，制造纳米线可通过干蚀刻法或汽液固（VLS）生长的方法。 当然，已知其它材料和/或制造技术在符合本发明范围内也可能被用于制造纳米线。 例如，从一个砷化铟（InAs）晶圆或相关材料制成的纳米线可用于红外应用。

纳米线也可以对不在可见光谱范围内的波长有很强的吸收，如在紫外线（UV） 或红外线（IR）光谱中。在一个实施例中，每个纳米线内或其上有晶体管。

在一个实施例中，图像传感器200每个像素250的子像素251、252和253具 有颜色匹配函数，其函数和CIE1931 2°标准观察者或CIE1964 10°标准观察者 的颜色匹配函数大致一样。

图4分别显示子像素251、252和253的示例颜色匹配函数451、452和453。 色彩匹配函数461、462和463是CIE标准观察者的,,和。

图像传感器100或200可用于检测和捕捉图像。检测图像的方法包括使用如透 镜和/或镜子等任何合适的光学器件将图像投射到图像传感器100或200；使用合适 的电路检测在每个像素的每个子像素中的纳米线的电信号；从子像素内的电信号计 算每个像素的色彩。

上述详细说明已经由使用图、流程图及/或实例阐释了装置及/或过程的各种实 施例。就这些图、流程图及/或实例含有一或多个功能及/或操作而言，熟习此项技 术者将理解可借助宽广范围的硬件、软件、固件或几乎其任一组合，个别地及/或 共同地实施这些图、流程图及/或实例中的每一功能及/或操作。

熟习此项技术者将辨识在此项技术中以本文中阐释的方式阐述的装置及/或过 程，且此后使用工程实践以将这些所述装置及/或过程整合至数据处理系统是常见 的。亦即，可经由合理量的实验将本文中所述装置及/或过程的至少一部分整合至 数据处理系统内。

本文中所描述主题有时图解说明含有于不同其它组件内或与不同其它组件连 接的不同组件。应理解为这些所描述架构仅是例示性，且事实上可实施达成相同功 能性的诸多其它架构。在概念意义上，达成相同功能性的组件的任一配置皆是有效 地“相关联”以使得达成所期望的功能性。因此，本文中经组合以达成特定功能性 的任何两个组件皆可视为彼此“相关联”以使得无论架构或中间组件如何，都达成 所期望的功能性。

关于本文中大致任何复数及/或单数术语的使用，熟习此项技术者可在适于上 下文及/或应用时将复数转译成单数及/或将单数转译成复数。出于清晰起见，本文 中可明确地阐释各种单数/复数排列。

包含但不限于专利、专利申请案及非专利文献的所有参考数据借此皆以全文引 用方式并入本文中。

虽然本文中已揭示各种方面及实施例，但熟习此项技术者将明了其它方面及实 施例。本文中所揭示的各种方面及实施例皆是出于图解说明的目的，且并非意欲具 有限制性，其中真实范畴及精神皆由以下申请专利范围指示。