集成型双带cmos数字图像传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种集成型双带CMOS数字图像传感器，包括主要由硅基可见光传感器阵列与太赫兹热传感器阵列在垂直于所述传感器表面的方向纵向集成形成的集成结构，所述集成结构包括沿设定方向依次设置的硅衬底、隔离层、金属底层、介质层、金属顶层和热敏材料层；其中，至少所述金属底层的局部区域具有至少可用作可见光的彩色滤波器和太赫兹波的反射层的周期性纳米结构，至少所述金属顶层的局部区域具有至少可用作太赫兹波的表面阻抗匹配层的周期性微米结构；并且所述反射层、表面阻抗匹配层与介质层配合形成具有近完全吸收特性的太赫兹超材料结构。本发明同时具有可见光成像与太赫兹成像功能，而且集成性架构还具有体积小、低成本、高效率等优点。
【专利说明】集成型双带CMOS数字图像传感器
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种图像传感器，具体涉及一种可以在可见光和太赫兹波段同时成像的集成型CMOS数字图像传感器，属于数字图像传感器【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着社会日益增长的对数字影像的需求，数字成像技术从七十年代发展至今一直保持着迅猛的势头。除了数码相机等消费电子产品，它已经被广泛应用于实时监控、视频会议、机器人视觉、生物医药分析、食品材料质量监控以及航空航天等方面。得益于硅基CMOS的快速发展和成熟工艺，大阵列可见光传感器取得了巨大进展，例如尼康D800相机所用的芯片最大分辨率已达到7360X4912。2001年美国斯坦福大学的研究小组提出利用等离激元效应可以在CMOS数字图像传感器中利用金属纳米结构替代基于聚合物的染料滤色片，有望进一步提高分辨率，并提高器件稳定性和降低成本。最近，太赫兹成像成为了研究热点，由于其良好的穿透性和低生物损伤，在安检等方面具有极大的应用潜力。2008年比利时研究小组展示了基于金属微米结构的太赫兹滤波器。2012年，美国科研小组展示了基于微机电技术与超材料结构的太赫兹波传感器。另一方面，除了普通的单带成像，双带成像能同时记录光谱和空间信息，不必使用光束分离或光学色散系统，如紫外红外成像传感器在军事探测和制导等领域是关键器件。目前的双带成像传感器集中在红外波段，且需要复杂的异质外延技术或键合技术。由于化合物半导体材料外延的均匀性问题难以获得大阵列的传感器面阵。当前，同时具有可见光波段成像与太赫兹成像能力的集成型双带成像传感器还是空白。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种集成型双带CMOS数字图像传感器。
[0004]为实现前述发明目的，本发明采用了如下技术方案:
一种集成型双带CMOS数字图像传感器，包括主要由硅基可见光传感器阵列与太赫兹热传感器阵列在垂直于所述传感器表面的方向纵向集成形成的集成结构，所述集成结构包括沿设定方向依次设置的硅衬底、隔离层、金属底层、介质层、金属顶层和热敏材料层；
其中，至少所述金属底层的局部区域具有至少可用作可见光的彩色滤波器和太赫兹波的反射层的周期性纳米结构，
同时，至少所述金属顶层的局部区域具有至少可用作太赫兹波的表面阻抗匹配层的周期性微米结构；
并且，所述反射层、表面阻抗匹配层与介质层配合形成具有近完全吸收特性的太赫兹超材料结构。
[0005]进一步的，所述超材料结构的阻抗Z等于或接近于(例如，偏差幅度可控制在±10%以内)真空阻抗376.7Ω，其中，2 =ε和μ分别为所述超材料结构的介电
常数和磁导率，使得太赫兹波在界面的反射等于或接近于零。
[0006]进一步的，所述金属底层具有周期性纳米结构，周期小于600纳米，厚度大于50纳米。
[0007]进一步的，所述金属顶层具有周期性微米结构，周期大于10微米，厚度应足以完全阻止光线透过，尤其优选为50纳米以上。
[0008]进一步的，所述金属顶层的周期性微米结构内还可分布具有可见光滤波的纳米结构。
[0009]进一步的，所述热敏材料层具有对太赫兹波的闻热阻系数，如氧化I凡、多晶娃和钼
坐寸ο
[0010]所述金属底层和/或金属顶层可采用由金、银、铜、铝、钼、钛等形成的单一金属层、合金层、多种单一金属层或合金层的叠加结构，或者单一金属层与合金层的叠加结构，且不限于此。
[0011]所述金属底层和/或金属顶层的厚度优选为50 -300纳米。
[0012]所述介质层主要由低可见光吸收的介电材料形成。
[0013]与现有技术相比，本发明的优点至少在于:
(1)通过将热敏材料集成在具有近完全吸收特性的超材料结构中，从而提高对太赫兹波的吸收和相应的热阻变化，即太赫兹热传感器的灵敏度；
(2)通过金属纳米结构来实现可见光的滤波功能，相比于聚合物染料滤色层而言，具有抗辐照、集成度高、工艺简单和可设计性好等优点；
(3)由于可见光波长与太赫兹波长的巨大差异，优选的，还可以将作为可见光滤波器的金属纳米结构可以集成到太赫兹波超材料的微米结构中，而不影响太赫兹超材料的功能，而且可见光传感器与太赫兹传感器都基于硅材料，因此可以将可见光传感器与太赫兹波传感器纵向集成，实现同时双带成像。得益于硅CMOS工艺的成熟性，可获得大阵列可双带数字成像的传感器。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]以下结合附图进一步解释说明本发明的内容。但是，以下附图仅仅是本发明的理想化实施例的示意图，其中为了清楚展示本发明所涉及器件的结构，对其中选定的层和区域的厚度进行了适当放大，但其作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。另外，本发明所示的实施例亦不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。概言之，如下附图是示意性的，不应该被认为限制本发明的范围。
[0015]图1为本发明一可选实施方案中集成型双带CMOS数字图像传感器的纵向剖面示意图；
图2a-图2c分别为本发明一可选实施方案中集成型双带CMOS数字图像传感器中金属底层的俯视示意图，其中，图2a为具有一维周期纳米结构的金属底层，图2b-图2c分别为具有二维周期纳米结构的金属底层；
图3a-图3c分别为本发明一可选实施方案中集成型双带CMOS数字图像传感器中金属顶层的俯视示意图，其中，图3a为具有一维周期微米结构的金属顶层，图3b为具有二维周期微米结构的金属底层，图3c为具有二维周期微米结构的金属底层，且微米结构中包括周期纳米结构；
图4为本发明一可选实施方案中集成型双带CMOS数字图像传感器中金属底层中对应绿光滤波器的纳米结构透过率光谱；
图5为本发明一可选实施方案中集成型双带CMOS数字图像传感器中太赫兹超材料结构的吸收率光谱；
图6为本发明一可选实施方案中集成型双带CMOS数字图像传感器中像素阵列的俯视图。
【具体实施方式】
[0016]本发明旨在提供一种集成型双带CMOS数字图像传感器，其主要由硅基的可见光传感器阵列与太赫兹热传感器阵列组成，两者在垂直于入射面的方向纵向集成。
[0017]进一步的，该集成型双带CMOS数字图像传感器至少包括沿一定方向依次分布的硅衬底、隔离层、金属底层、介质层、金属顶层和热敏材料层；
其中，金属底层局部区域具有周期性纳米结构，一方面作为可见光的彩色滤波器，另一方面作为太赫兹波的反射层；金属顶层局部区域具有周期性微米结构，作为太赫兹波的表面阻抗匹配层，并且反射层、表面阻抗匹配层，以及两者间的介质层配合形成具有近完全吸收特性的太赫兹超材料结构。
[0018]前述金属底层、介质层、金属顶层一起构成具有近完全吸收的太赫兹超材料结构。进一步的，通过调控前述介质层的折射率和厚度，金属顶层微米结构的周期结构和厚度，可以优化设计工作在不同波段的近完全吸收的超材料结构。例如，作为较佳的应用方案之一，可以通过电磁场数值分析方法优化超材料结构的介电常数ε和磁导率μ，使得超材料结
构的阻抗2: = 等于或接近于376.7Ω，从而获得表面的阻抗匹配，抑制反射损耗，结
合金属底层的反射效应，获得近100%完全光限制。
[0019]前述金属顶层微米结构的周期应小于太赫兹热传感器的工作波长，从而保证其超材料结构特性，但对于前述金属顶层微米结构的周期单元的形态而言，并不存在限制，其可以根据实际应用的需要而定。
[0020]前述金属底层纳米结构的周期应小于600纳米，从而保证其可见光波段滤波特性，但对于前述金属底层纳米结构的周期单元的形态而言，其亦不存在限制，而可以根据实际应用的需要而定。
[0021]前述金属底层和金属顶层材料可选用但不限于金、银、铜、铝、钼、钛等单一金属层、合金层或多种单一金属层或合金层的叠加结构，优选采用与CMOS工艺兼容的铜和铝，其厚度优选在50纳米以上，尤其是50纳米-300纳米。
[0022]前述的介质层的材质为低可见光吸收的介电材料，比如，可选用但不限于二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、聚合物等，优选采用与CMOS工艺兼容的二氧化硅和氮化硅。
[0023]前述的热敏材料层采用具有太赫兹波高热阻系数的材料，可选用但不限于氧化钒、多晶硅和钼等，优选采用氧化钒。[0024]前述金属底层具有周期性纳米结构，通过调控其周期与单元结构，可以构成可见光不同波段的滤波器。
[0025]前述金属顶层具有周期性微米结构，通过调控其周期与单元结构，可以构成太赫兹波不同波段的表面阻抗匹配层。
[0026]换言之，可见光的滤波功能由前述金属底层的周期性纳米结构实现，太赫兹波的选频功能由金属底层、介质层和金属顶层组成的超材料实现，可见光传感器的光电转换与太赫兹热传感器的光热电转换都通过硅基CMOS电路读出并成像。
[0027]前述金属顶层微米结构还可以包括可实现可见光滤波的纳米结构，以增加金属顶层对可见光的透过率。
[0028]该集成型双带CMOS数字图像传感器在可见光照射下，可见光分别穿透金属顶层、介质层和金属底层，到达娃衬底上的光电二极管实现光电信号转换，可见光传感器各像素的感光波长由设计好的金属纳米结构决定。
[0029]该集成型双带CMOS数字图像传感器在太赫兹波照射下，太赫兹波长远大于前述金属纳米结构周期，因此不管是金属顶层还是金属底层的纳米结构都不影响超材料的功能，太赫兹波将局域在介质层，太赫兹热传感器各像素的感光波长由设计好的超材料决定，并由热敏材料层实现光热电的转换。
[0030]由于可见光与太赫兹波可以无相互干扰的分别被探测，而且可见光传感阵列与太赫兹热传感阵列可以纵向集成，因此本发明的集成型双带CMOS数字图像传感器可以同时实现可见光与太赫兹波的成像，并借助与硅基CMOS成熟的工艺，可获得大阵列的双带传感器。
[0031]下面结合若干较佳实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明:
参阅图1所示系本实施例基于超材料结构的石墨烯晶体管光探测器纵向剖面图，其
包括硅衬底11、隔离层22、金属底层33、介质层44、金属顶层55和热敏材料层66，图中箭头77所示系入射光。该实施例中金属底层33具有周期纳米结构，同时实现可见光的彩色滤波和太赫兹波的反射。如图2所示，金属底层33的纳米结构可以是一维的周期结构(图2a)或二维的周期结构(图2b和2c)，经过优化设计可以获得对可见光的特定波段实现透过而对其他波段实现反射。例如，150纳米厚铝膜中的三角形晶格的纳米圆孔阵列，当周期为330纳米，圆孔直径为180纳米时，可以实现对绿光的滤波，透过率光谱见图4。该实施例中金属顶层55具有周期微米结构，作为太赫兹波阻抗匹配器，降低太赫兹波在界面的反射损耗，并结合介质层与具有强反射作用的金属底层，一起构成太赫兹超材料结构，形成对入射太赫兹波近100%的全吸收。如图3所示，金属顶层55的微米结构可以是一维的周期结构(图3a)或二维的周期结构(图3b)或包括周期纳米结构的周期微米结构(3c)，经过优化设计可以获得对太赫兹波的特定波段实现吸收而对其他波段实现反射。例如，当金属底层33是厚度200纳米的金，介质层44是4微米厚的聚酰亚胺，金属顶层55是220纳米厚金膜，并在金属顶层55制备如图3b的正方晶格微米结构，当周期为28微米，正方形环的外边长19微米，环宽度0.5微米时，可以实现对2.9THz波的强吸收，吸收率光谱见图5。可以看到本实例中金属顶层55中的金属填充率不足5%，对可见光的传输影响非常小。如果金属顶层55采用如图3c的金属微米结构，可以如所示在金属微米结构中制作对应可见光滤波的纳米结构，减小金属顶层55对可见光传输的影响。该实施例中热敏材料层66为氧化钒，用以将太赫兹超材料结构吸收的太赫兹波能量转换为电信号。无论是可见光传感阵列还是太赫兹热传感阵列都类似图6所示进行像素的排列，不同的像素如A、B、C和D实现不同波长的滤波，并一起组成一个超元胞，周期性的形成阵列。最终每个像素对应的硅基晶体管完成可见光信号的光电转换或太赫兹波信号的光热电转换，从而实现双带成像功能。实际应用中，超元胞中像素数目和排列方式不受本实例限制。
[0032]综述之，相比于现有的仅有单带成像功能的可见光传感器或太赫兹成像系统，本发明公开的集成型双带CMOS数字图像传感器具有同时可见光成像与太赫兹成像的功能，而且集成型的架构具有体积小、低成本、高效率等优点。
[0033]需要说明的是，本发明所揭示的乃较佳实施例的一种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。
【权利要求】
1.一种集成型双带CMOS数字图像传感器，其特征在于，它包括主要由硅基可见光传感器阵列与太赫兹热传感器阵列在垂直于所述传感器表面的方向纵向集成形成的集成结构，所述集成结构包括沿设定方向依次设置的硅衬底、隔离层、金属底层、介质层、金属顶层和热敏材料层； 其中，至少所述金属底层的局部区域具有至少可用作可见光的彩色滤波器和太赫兹波的反射层的周期性纳米结构， 同时，至少所述金属顶层的局部区域具有至少可用作太赫兹波的表面阻抗匹配层的周期性微米结构； 并且，所述反射层、表面阻抗匹配层与介质层配合形成具有近完全吸收特性的太赫兹超材料结构。
2.根据权利要求1所述的集成型双带CMOS数字图像传感器，其特征在于，所述太赫兹超材料结构的阻抗Z等于或接近于真空阻抗376.7Ω，其中，1=%μψ^ ε和μ分别为所述超材料结构的介电常数和磁导率。
3.根据权利要求1所述的集成型双带CMOS数字图像传感器，其特征在于，所述周期性纳米结构的周期小于600纳米，厚度大于50纳米。
4.根据权利要求1所述的集成型双带CMOS数字图像传感器，其特征在于，所述周期性微米结构的周期大于10微米，厚度大于50纳米。
5.根据权利要求1所述的集成型双带CMOS数字图像传感器，其特征在于，所述周期性微米结构中还分布具有可见光滤波功能的纳米结构。
6.根据权利要求1所述的`集成型双带CMOS数字图像传感器，其特征在于，所述热敏材料层主要由对太赫兹波具有高热阻系数的热敏材料形成。
7.根据权利要求6所述的集成型双带CMOS数字图像传感器，其特征在于，所述热敏材料包括氧化钒、多晶硅或钼。
8.根据权利要求1所述的集成型双带CMOS数字图像传感器，其特征在于，所述金属底层和/或金属顶层包括至少由金、银、铜、铝、钼、钛中的任意一种或两种以上的合金形成的单一金属层、合金层、两种以上单一金属层的叠加结构、两种以上合金层的叠加结构或者一种以上单一金属层与一种以上合金层的叠加结构。
9.根据权利要求1或8所述的集成型双带CMOS数字图像传感器，其特征在于，所述金属底层和/或金属顶层的厚度在50 -300纳米。
10.根据权利要求1所述的集成型双带CMOS数字图像传感器，其特征在于，所述介质层主要由低可见光吸收的介电材料形成，所述介电材料包括二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝或聚合物。
【文档编号】H01L27/146GK103515406SQ201310441645
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】陈沁
申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所