集成型雙帶cmos數字圖像傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器，包括主要由硅基可見光傳感器陣列與太赫茲熱傳感器陣列在垂直于所述傳感器表面的方向縱向集成形成的集成結構，所述集成結構包括沿設定方向依次設置的硅襯底、隔離層、金屬底層、介質層、金屬頂層和熱敏材料層；其中，至少所述金屬底層的局部區域具有至少可用作可見光的彩色濾波器和太赫茲波的反射層的周期性納米結構，至少所述金屬頂層的局部區域具有至少可用作太赫茲波的表面阻抗匹配層的周期性微米結構；并且所述反射層、表面阻抗匹配層與介質層配合形成具有近完全吸收特性的太赫茲超材料結構。本發明同時具有可見光成像與太赫茲成像功能，而且集成性架構還具有體積小、低成本、高效率等優點。
【專利說明】集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種圖像傳感器，具體涉及一種可以在可見光和太赫茲波段同時成像的集成型CMOS數字圖像傳感器，屬于數字圖像傳感器【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著社會日益增長的對數字影像的需求，數字成像技術從七十年代發展至今一直保持著迅猛的勢頭。除了數碼相機等消費電子產品，它已經被廣泛應用于實時監控、視頻會議、機器人視覺、生物醫藥分析、食品材料質量監控以及航空航天等方面。得益于硅基CMOS的快速發展和成熟工藝，大陣列可見光傳感器取得了巨大進展，例如尼康D800相機所用的芯片最大分辨率已達到7360X4912。2001年美國斯坦福大學的研究小組提出利用等離激元效應可以在CMOS數字圖像傳感器中利用金屬納米結構替代基于聚合物的染料濾色片，有望進一步提高分辨率，并提高器件穩定性和降低成本。最近，太赫茲成像成為了研究熱點，由于其良好的穿透性和低生物損傷，在安檢等方面具有極大的應用潛力。2008年比利時研究小組展示了基于金屬微米結構的太赫茲濾波器。2012年，美國科研小組展示了基于微機電技術與超材料結構的太赫茲波傳感器。另一方面，除了普通的單帶成像，雙帶成像能同時記錄光譜和空間信息，不必使用光束分離或光學色散系統，如紫外紅外成像傳感器在軍事探測和制導等領域是關鍵器件。目前的雙帶成像傳感器集中在紅外波段，且需要復雜的異質外延技術或鍵合技術。由于化合物半導體材料外延的均勻性問題難以獲得大陣列的傳感器面陣。當前，同時具有可見光波段成像與太赫茲成像能力的集成型雙帶成像傳感器還是空白。
【發明內容】
[0003]針對現有技術的不足，本發明的主要目的在于提供一種集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器。
[0004]為實現前述發明目的，本發明采用了如下技術方案:
一種集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器，包括主要由硅基可見光傳感器陣列與太赫茲熱傳感器陣列在垂直于所述傳感器表面的方向縱向集成形成的集成結構，所述集成結構包括沿設定方向依次設置的硅襯底、隔離層、金屬底層、介質層、金屬頂層和熱敏材料層；
其中，至少所述金屬底層的局部區域具有至少可用作可見光的彩色濾波器和太赫茲波的反射層的周期性納米結構，
同時，至少所述金屬頂層的局部區域具有至少可用作太赫茲波的表面阻抗匹配層的周期性微米結構；
并且，所述反射層、表面阻抗匹配層與介質層配合形成具有近完全吸收特性的太赫茲超材料結構。
[0005]進一步的，所述超材料結構的阻抗Z等于或接近于(例如，偏差幅度可控制在±10%以內)真空阻抗376.7Ω，其中，2 =ε和μ分別為所述超材料結構的介電
常數和磁導率，使得太赫茲波在界面的反射等于或接近于零。
[0006]進一步的，所述金屬底層具有周期性納米結構，周期小于600納米，厚度大于50納米。
[0007]進一步的，所述金屬頂層具有周期性微米結構，周期大于10微米，厚度應足以完全阻止光線透過，尤其優選為50納米以上。
[0008]進一步的，所述金屬頂層的周期性微米結構內還可分布具有可見光濾波的納米結構。
[0009]進一步的，所述熱敏材料層具有對太赫茲波的聞熱阻系數，如氧化I凡、多晶娃和鉬
坐寸ο
[0010]所述金屬底層和/或金屬頂層可采用由金、銀、銅、鋁、鉬、鈦等形成的單一金屬層、合金層、多種單一金屬層或合金層的疊加結構，或者單一金屬層與合金層的疊加結構，且不限于此。
[0011]所述金屬底層和/或金屬頂層的厚度優選為50 -300納米。
[0012]所述介質層主要由低可見光吸收的介電材料形成。
[0013]與現有技術相比，本發明的優點至少在于:
(1)通過將熱敏材料集成在具有近完全吸收特性的超材料結構中，從而提高對太赫茲波的吸收和相應的熱阻變化，即太赫茲熱傳感器的靈敏度；
(2)通過金屬納米結構來實現可見光的濾波功能，相比于聚合物染料濾色層而言，具有抗輻照、集成度高、工藝簡單和可設計性好等優點；
(3)由于可見光波長與太赫茲波長的巨大差異，優選的，還可以將作為可見光濾波器的金屬納米結構可以集成到太赫茲波超材料的微米結構中，而不影響太赫茲超材料的功能，而且可見光傳感器與太赫茲傳感器都基于硅材料，因此可以將可見光傳感器與太赫茲波傳感器縱向集成，實現同時雙帶成像。得益于硅CMOS工藝的成熟性，可獲得大陣列可雙帶數字成像的傳感器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]以下結合附圖進一步解釋說明本發明的內容。但是，以下附圖僅僅是本發明的理想化實施例的示意圖，其中為了清楚展示本發明所涉及器件的結構，對其中選定的層和區域的厚度進行了適當放大，但其作為示意圖不應該被認為嚴格反映了幾何尺寸的比例關系。另外，本發明所示的實施例亦不應該被認為僅限于圖中所示的區域的特定形狀。概言之，如下附圖是示意性的，不應該被認為限制本發明的范圍。
[0015]圖1為本發明一可選實施方案中集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器的縱向剖面示意圖；
圖2a-圖2c分別為本發明一可選實施方案中集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器中金屬底層的俯視示意圖，其中，圖2a為具有一維周期納米結構的金屬底層，圖2b-圖2c分別為具有二維周期納米結構的金屬底層；
圖3a-圖3c分別為本發明一可選實施方案中集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器中金屬頂層的俯視示意圖，其中，圖3a為具有一維周期微米結構的金屬頂層，圖3b為具有二維周期微米結構的金屬底層，圖3c為具有二維周期微米結構的金屬底層，且微米結構中包括周期納米結構；
圖4為本發明一可選實施方案中集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器中金屬底層中對應綠光濾波器的納米結構透過率光譜；
圖5為本發明一可選實施方案中集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器中太赫茲超材料結構的吸收率光譜；
圖6為本發明一可選實施方案中集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器中像素陣列的俯視圖。
【具體實施方式】
[0016]本發明旨在提供一種集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器，其主要由硅基的可見光傳感器陣列與太赫茲熱傳感器陣列組成，兩者在垂直于入射面的方向縱向集成。
[0017]進一步的，該集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器至少包括沿一定方向依次分布的硅襯底、隔離層、金屬底層、介質層、金屬頂層和熱敏材料層；
其中，金屬底層局部區域具有周期性納米結構，一方面作為可見光的彩色濾波器，另一方面作為太赫茲波的反射層；金屬頂層局部區域具有周期性微米結構，作為太赫茲波的表面阻抗匹配層，并且反射層、表面阻抗匹配層，以及兩者間的介質層配合形成具有近完全吸收特性的太赫茲超材料結構。
[0018]前述金屬底層、介質層、金屬頂層一起構成具有近完全吸收的太赫茲超材料結構。進一步的，通過調控前述介質層的折射率和厚度，金屬頂層微米結構的周期結構和厚度，可以優化設計工作在不同波段的近完全吸收的超材料結構。例如，作為較佳的應用方案之一，可以通過電磁場數值分析方法優化超材料結構的介電常數ε和磁導率μ，使得超材料結
構的阻抗2: = 等于或接近于376.7Ω，從而獲得表面的阻抗匹配，抑制反射損耗，結
合金屬底層的反射效應，獲得近100%完全光限制。
[0019]前述金屬頂層微米結構的周期應小于太赫茲熱傳感器的工作波長，從而保證其超材料結構特性，但對于前述金屬頂層微米結構的周期單元的形態而言，并不存在限制，其可以根據實際應用的需要而定。
[0020]前述金屬底層納米結構的周期應小于600納米，從而保證其可見光波段濾波特性，但對于前述金屬底層納米結構的周期單元的形態而言，其亦不存在限制，而可以根據實際應用的需要而定。
[0021]前述金屬底層和金屬頂層材料可選用但不限于金、銀、銅、鋁、鉬、鈦等單一金屬層、合金層或多種單一金屬層或合金層的疊加結構，優選采用與CMOS工藝兼容的銅和鋁，其厚度優選在50納米以上，尤其是50納米-300納米。
[0022]前述的介質層的材質為低可見光吸收的介電材料，比如，可選用但不限于二氧化硅、氮化硅、三氧化二鋁、聚合物等，優選采用與CMOS工藝兼容的二氧化硅和氮化硅。
[0023]前述的熱敏材料層采用具有太赫茲波高熱阻系數的材料，可選用但不限于氧化釩、多晶硅和鉬等，優選采用氧化釩。[0024]前述金屬底層具有周期性納米結構，通過調控其周期與單元結構，可以構成可見光不同波段的濾波器。
[0025]前述金屬頂層具有周期性微米結構，通過調控其周期與單元結構，可以構成太赫茲波不同波段的表面阻抗匹配層。
[0026]換言之，可見光的濾波功能由前述金屬底層的周期性納米結構實現，太赫茲波的選頻功能由金屬底層、介質層和金屬頂層組成的超材料實現，可見光傳感器的光電轉換與太赫茲熱傳感器的光熱電轉換都通過硅基CMOS電路讀出并成像。
[0027]前述金屬頂層微米結構還可以包括可實現可見光濾波的納米結構，以增加金屬頂層對可見光的透過率。
[0028]該集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器在可見光照射下，可見光分別穿透金屬頂層、介質層和金屬底層，到達娃襯底上的光電二極管實現光電信號轉換，可見光傳感器各像素的感光波長由設計好的金屬納米結構決定。
[0029]該集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器在太赫茲波照射下，太赫茲波長遠大于前述金屬納米結構周期，因此不管是金屬頂層還是金屬底層的納米結構都不影響超材料的功能，太赫茲波將局域在介質層，太赫茲熱傳感器各像素的感光波長由設計好的超材料決定，并由熱敏材料層實現光熱電的轉換。
[0030]由于可見光與太赫茲波可以無相互干擾的分別被探測，而且可見光傳感陣列與太赫茲熱傳感陣列可以縱向集成，因此本發明的集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器可以同時實現可見光與太赫茲波的成像，并借助與硅基CMOS成熟的工藝，可獲得大陣列的雙帶傳感器。
[0031]下面結合若干較佳實施例及相關附圖對本發明的技術方案進行詳細說明:
參閱圖1所示系本實施例基于超材料結構的石墨烯晶體管光探測器縱向剖面圖，其
包括硅襯底11、隔離層22、金屬底層33、介質層44、金屬頂層55和熱敏材料層66，圖中箭頭77所示系入射光。該實施例中金屬底層33具有周期納米結構，同時實現可見光的彩色濾波和太赫茲波的反射。如圖2所示，金屬底層33的納米結構可以是一維的周期結構(圖2a)或二維的周期結構(圖2b和2c)，經過優化設計可以獲得對可見光的特定波段實現透過而對其他波段實現反射。例如，150納米厚鋁膜中的三角形晶格的納米圓孔陣列，當周期為330納米，圓孔直徑為180納米時，可以實現對綠光的濾波，透過率光譜見圖4。該實施例中金屬頂層55具有周期微米結構，作為太赫茲波阻抗匹配器，降低太赫茲波在界面的反射損耗，并結合介質層與具有強反射作用的金屬底層，一起構成太赫茲超材料結構，形成對入射太赫茲波近100%的全吸收。如圖3所示，金屬頂層55的微米結構可以是一維的周期結構(圖3a)或二維的周期結構(圖3b)或包括周期納米結構的周期微米結構(3c)，經過優化設計可以獲得對太赫茲波的特定波段實現吸收而對其他波段實現反射。例如，當金屬底層33是厚度200納米的金，介質層44是4微米厚的聚酰亞胺，金屬頂層55是220納米厚金膜，并在金屬頂層55制備如圖3b的正方晶格微米結構，當周期為28微米，正方形環的外邊長19微米，環寬度0.5微米時，可以實現對2.9THz波的強吸收，吸收率光譜見圖5。可以看到本實例中金屬頂層55中的金屬填充率不足5%，對可見光的傳輸影響非常小。如果金屬頂層55采用如圖3c的金屬微米結構，可以如所示在金屬微米結構中制作對應可見光濾波的納米結構，減小金屬頂層55對可見光傳輸的影響。該實施例中熱敏材料層66為氧化釩，用以將太赫茲超材料結構吸收的太赫茲波能量轉換為電信號。無論是可見光傳感陣列還是太赫茲熱傳感陣列都類似圖6所示進行像素的排列，不同的像素如A、B、C和D實現不同波長的濾波，并一起組成一個超元胞，周期性的形成陣列。最終每個像素對應的硅基晶體管完成可見光信號的光電轉換或太赫茲波信號的光熱電轉換，從而實現雙帶成像功能。實際應用中，超元胞中像素數目和排列方式不受本實例限制。
[0032]綜述之，相比于現有的僅有單帶成像功能的可見光傳感器或太赫茲成像系統，本發明公開的集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器具有同時可見光成像與太赫茲成像的功能，而且集成型的架構具有體積小、低成本、高效率等優點。
[0033]需要說明的是，本發明所揭示的乃較佳實施例的一種，凡是局部的變更或修飾而源于本發明的技術思想而為熟習該項技術的人所易于推知的，俱不脫離本發明的專利權范圍。
【權利要求】
1.一種集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器，其特征在于，它包括主要由硅基可見光傳感器陣列與太赫茲熱傳感器陣列在垂直于所述傳感器表面的方向縱向集成形成的集成結構，所述集成結構包括沿設定方向依次設置的硅襯底、隔離層、金屬底層、介質層、金屬頂層和熱敏材料層； 其中，至少所述金屬底層的局部區域具有至少可用作可見光的彩色濾波器和太赫茲波的反射層的周期性納米結構， 同時，至少所述金屬頂層的局部區域具有至少可用作太赫茲波的表面阻抗匹配層的周期性微米結構； 并且，所述反射層、表面阻抗匹配層與介質層配合形成具有近完全吸收特性的太赫茲超材料結構。
2.根據權利要求1所述的集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器，其特征在于，所述太赫茲超材料結構的阻抗Z等于或接近于真空阻抗376.7Ω，其中，1=%μψ^ ε和μ分別為所述超材料結構的介電常數和磁導率。
3.根據權利要求1所述的集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器，其特征在于，所述周期性納米結構的周期小于600納米，厚度大于50納米。
4.根據權利要求1所述的集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器，其特征在于，所述周期性微米結構的周期大于10微米，厚度大于50納米。
5.根據權利要求1所述的集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器，其特征在于，所述周期性微米結構中還分布具有可見光濾波功能的納米結構。
6.根據權利要求1所述的`集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器，其特征在于，所述熱敏材料層主要由對太赫茲波具有高熱阻系數的熱敏材料形成。
7.根據權利要求6所述的集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器，其特征在于，所述熱敏材料包括氧化釩、多晶硅或鉬。
8.根據權利要求1所述的集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器，其特征在于，所述金屬底層和/或金屬頂層包括至少由金、銀、銅、鋁、鉬、鈦中的任意一種或兩種以上的合金形成的單一金屬層、合金層、兩種以上單一金屬層的疊加結構、兩種以上合金層的疊加結構或者一種以上單一金屬層與一種以上合金層的疊加結構。
9.根據權利要求1或8所述的集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器，其特征在于，所述金屬底層和/或金屬頂層的厚度在50 -300納米。
10.根據權利要求1所述的集成型雙帶CMOS數字圖像傳感器，其特征在于，所述介質層主要由低可見光吸收的介電材料形成，所述介電材料包括二氧化硅、氮化硅、三氧化二鋁或聚合物。
【文檔編號】H01L27/146GK103515406SQ201310441645
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月25日 優先權日:2013年9月25日
【發明者】陳沁
申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所