专利名称：用于测量入射光的方法以及具有采用该方法的分光装置的传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量入射光的一种方法，以及采用该方法的一种分光传感器，并且尤其涉及用于测量入射光的一种方法，该方法用于探测半导体器件上的入射光的波长和强度，以及涉及具有采用该方法的分光装置的一种传感器。
背景技术：
在单CCD视频摄像机中使用的图像传感器上，每个光电探测器(例如光电二极管)上具有红、绿、蓝滤光片，以产生彩色图像。
在三CCD视频摄像机中，入射光被光学棱镜分成三个光分量，即红、绿、蓝，并且每个光分量由三个单独的图像传感器探测。
迄今，为了检查入射光的波长和强度，使用一个光栅或类似物进行光谱分离，并且用一个功率表或类似物测量每个光分量的强度分布。
使用单个光电二极管获得红、绿、蓝的颜色信息的一项试验是已知的(参见下面的专利文献1)。按照这种方法，在一个硅衬底上布置深度为0.2μm、0.6μm和2μm的三个扩散层，以致互相重叠，并且探测每个结产生的电流。
美国专利号5,965,875(第四栏至第五栏，图6)发明内容但是，在上述单CCD摄像机中，由于需要三个光探测器产生彩色图像，因此分辨率降至三分之一。此外，由于彩色滤光片的光学吸收，灵敏度也降低了。
在该三CCD视频摄像机中，光学棱镜的存在增大了摄像机本身的尺寸。
此外，由于使用了光栅或类似物，该分光装置的尺寸也增大了。
在专利文献1公开的通过三阱结构的一个有效像元成像阵列进行颜色分离的方法中，在最近的探测蓝色的结处，也无意地探测到红色，并且因此红、绿、蓝的颜色信息的分辨率较低。此外，不利地是，该方法不提供关于波长与强度之间关系的信息。
并且，在专利文献1所述的方法中，被捕获的电子的深度(位置)不能改变。
由于上述情况，本发明的一个目的是提供用于测量入射光的一种方法，采用具有对应入射光的单个电子捕获部分的一个简单的半导体结构，以及具有采用该方法的分光装置的一种传感器。
为了达到以上目的，本发明提供了以下项目[1]在用于测量入射光的一种方法中，该方法采用一个半导体结构，该半导体结构包含透过入射光且被施加栅压的一个电极薄膜，以及用于捕获入射光产生的电子的一个扩散层，该扩散层位于该电极薄膜的下方，其间还有一个绝缘薄膜。在该方法中，栅压是变化的，在扩散层中电子被捕获时距离扩散层表面的深度是变化的，并且表示电子数量的电流被测量，由此测量该入射光的波长和强度。
在项目[1]所述测量入射光的方法中，根据入射光的类型设置栅压的变化次数。
一个分光传感器包含半导体衬底；位于半导体衬底上的第一扩散层；位于第一扩散层一部分处的第二扩散层；以及位于第一扩散层上的一个电极薄膜，其间有一个绝缘薄膜，该电极薄膜透过入射光并被施加一个栅压。在该分光传感器中，入射光产生的电子在第一扩散层中被捕获，该第一扩散层是变化的，以便与栅压对应，并且表示电子数量的电流被测量，由此测量该入射光的波长和强度。
在项目[3]所述的分光传感器中，第一扩散层包含一个p-型扩散层，第二扩散层包含一个n+扩散层，并且半导体衬底包含一个n-型半导体衬底。
在项目[3]所述的分光传感器中，被施加一个栅压的电极薄膜是掺有杂质的一个多晶硅薄膜。
提供了包含项目[3]所述的分光传感器的一维或二维排列的一个分光传感器阵列。该分光传感器阵列通过与分光传感器阵列一起的一个移位寄存器切换来读信号，捕获电子的深度是变化的，以测量每次的信号，并且红、绿、蓝波长的强度从该信号计算得到，以输出彩色图像信号。
在项目[6]所述无彩色滤光片的一个彩色图像传感器中，在该彩色图像信号的输出部分具有一个噪声消除电路。
在项目[6]所述无彩色滤光片的一个彩色图像传感器中，捕获电子的深度每1/180秒变化一次。
图1是一个透视图，显示根据本发明的一个实施例测量入射光的一个分光传感器的局部剖视图。
图2是该分光传感器在Vg为-1V的情况下的特性要素图。
图3是该分光传感器在Vg为0V的情况下的特性要素图。
图4是该分光传感器在Vg为1V的情况下的特性要素图。
图5是该分光传感器在Vg为2V的情况下的特性要素图。
图6是该分光传感器在Vg为3V的情况下的特性要素图。
图7是该分光传感器在Vg为4V的情况下的特性要素图。
图8是该分光传感器在Vg为5V的情况下的特性要素图。
图9是根据本发明的一个实施例的一个分光传感器的特性要素图，其中施加到衬底的电压为5V且Vg为0V(对应图3)，并且p-型扩散层的深度为10μm(Z座标的满刻度)。
图10是根据本发明的一个实施例的一个分光传感器的特性要素图，其中施加到衬底的电压为10V且Vg为0V，并且p-型扩散层的深度为10μm(Z座标的满刻度)。
图11是本发明的一个分光传感器单元的平面图。
图12是本发明的全部的分光传感器(4×4)的平面图。
图13是根据本发明的一个应用的无彩色滤光片的一个彩色图像传感器系统的方框图。
具体实施例方式
现在将详细描述本发明的实施例。
首先，描述获得入射光波长信息的基本原理。
照射在半导体器件上光进入该半导体器件，在吸收的同时衰减。衰减程度与入射光的波长有关。
因此，本发明关注以下所说如果能够收集光产生的电子的一个深度(位置)可以变化，并且其电流可以被测量，则入射光的波长信息可以通过以下方法获得(当然，与电子同时形成的电子空穴可能积累)。例如，假定波长为λ1和λ2的两个光分量分别以A1和A2的强度同时入射。假定当测量到从表面到电子捕获位置W1的距离的电子产生的电流时，该电流用电流I1表示。
其后，假定当测量到电子捕获位置W2的距离的电子产生的电流时，该电流用电流I2表示。该现象可以用以下方程表示(参见补充说明1)[方程1]I1=A1Sqhv1(1-e-α1W1)+A2Sqhv2(1-e-α2W1)I2=A1Sqhv1(1-e-α1W2)+A2Sqhv2(1-e-α2W2)---(1)]]>在该方程中，每个参数如下A1和A2入射光的强度[W/cm2]S传感器面积[cm2]W1和W2电子捕获位置[cm]α1和α2每个波长处的吸收系数[cm-1]I1当电子捕获位置为W1时电流[A]的观察值；I2当电子捕获位置为W2时电流[A]的观察值；
频率V1＝c/λ1频率V2＝c/λ2这里，c表示光速，S表示光接收部分的面积，hv表示光子能量，q表示电子伏特。除了强度A1和A2以外，入射光的所有值都是已知值。因此，可以通过解两个方程的联立方程确定入射光的强度A1和A2。
例如，入射光的强度A1和A2表示如下[方程2]A1=I1Z-I2XWZ-XYA2=I2W-I1YWZ-XY---(2)]]>每个参数如下[方程3]W=Sq(1-e-α1W1)hv1]]>X=Sq(1-e-α2W1)hv2---(3)]]>Y=Sq(1-e-α1W2)hv1]]>Z=Sq(1-e-α2W2)hv2]]>例如，当入射光被分成三个波长时，电子捕获位置W3的电流I3被加到方程1。其后，象两个波长情况那样进行计算，由此将入射光分成三个波长。
类似地，当具有100个波长的入射光被分光时，电子捕获位置将变化100次，然后进行测量。
当单色光入射时，在半导体中深度(位置)W处产生的电流可以通过计算确定。当光入射到一个半导体上时，光强度按指数衰减。因此，深度x处的光强度Φ表示如下[方程4]Φ＝Φ0e-αx(4)其中Φ0入射光的强度[W/cm2]α吸收系数[cm-1]由此方程，吸收到深度W的比率确定如下
∫0WΦ0e-αxdx∫0∞Φ0e-αxdx=1-e-αW---(5)]]>由这些方程，通过以下方程确定深度W处产生的电流[方程6]I=Φ0Sqhv(1-e-αW)---(6)]]>其中S光接收部分的面积[cm2]hv光子能量[J]q电子伏特[J]方程1中这些方程是关于每个波长表示。
现在将详细描述本发明的实施例。
图1是一个透视图，显示根据本发明的一个实施例测量入射光的一个分光传感器的局部剖视图。
在该图中，参考数字1表示一个n-型硅衬底(n-型衬底)，参考数字2表示该n-型硅衬底1上的一个p-型扩散层(p-型阱)，参考数字3表示该p-型扩散层2的一部分处的一个n+扩散层，参考数字4表示该p-型扩散层2上的一个二氧化硅(SiO2)薄膜，参考数字5表示连接到n+扩散层3并被施加一个参考电压的一个铝电极，参考数字6表示连接到p-型扩散层2并接地的一个电极，参考数字7表示二氧化硅薄膜4的上部上面的且掺有杂质的一个多晶硅(poly-Si)薄膜，参考数字8表示连接到该多晶硅薄膜7的一个栅电极。该多晶硅薄膜7用作能够通过二氧化硅薄膜4透过光的一个电极。
为了改变p-型扩散层2中电子被捕获时距表面的深度(位置)，例如，该分光传感器具有一个结构，其中p-型扩散层2位于n-型硅衬底1中，并且具有该多晶硅薄膜7，该薄膜掺有杂质且用作能够通过位于p-型扩散层2上部上面的二氧化硅薄膜4透过光的一个电极。n+扩散层3位于多晶硅薄膜7的旁边，该多晶硅薄膜7能够透过光并掺有杂质，使得被捕获的电子被带到外面。p-型扩散层2和n-型硅衬底1包含延长布线的触点，以保持这些电势不变。
图2至8是图1所示分光传感器的特性要素图。图2显示Vg为-1V的情况，图3显示Vg为0V的情况，图4显示Vg为1V的情况，图5显示Vg为2V的情况，图6显示Vg为3V的情况，图7显示Vg为4V的情况，图8显示Vg为5V的情况。这里，Vg表示一个栅压(栅电极8的电势)。在每个图中，Z座标轴上的值0.0表示p-型扩散层的表面，实线表示在p-型扩散层中电子被捕获时距离表面的深度(位置)W，B表示一个p-阱部分，C表示与衬底的pn结部分(这些在图2中代表性地表示，但是在图3至8中是相同的)。
例如，在p-型扩散层2中的杂质浓度为2×1015cm-3(结深度5μm)的情况下，n-型硅衬底1中的杂质浓度为1.5×1014cm-3，二氧化硅薄膜4的厚度为65nm，当栅电极8的电势从-1V变到5V(图2至8)(同时5V施加到n-型硅衬底1)时，在p-型扩散层2中电子被捕获时距离表面的深度W从0μm变到2.3μm。
这些图显示了当5V施加到硅衬底1时的仿真结果。但是，施加到衬底的电压不是固定在5V而是可变的。
图9是根据本发明的一个实施例的一个分光传感器的特性要素图，其中施加到衬底的电压为5V且Vg为0V(对应图3)，并且p-型扩散层的深度为10μm(Z座标的满刻度)。图10是根据本发明的一个实施例的一个分光传感器的特性要素图，其中施加到衬底的电压为10V且Vg为0V，并且p-型扩散层的深度为10μm(Z座标的满刻度)。在这些图中，Z座标轴上的值0.0表示p-型扩散层的表面，Z座标轴上的值10.0表示p-型扩散层的底面(硅衬底的表面)。当比较图9和图10时，施加到该衬底的电压的差异在一定程度上影响与衬底的pn结部分C、p-阱部分B，以及在p-阱中当电子被捕获时距离表面的深度W(主要是，与衬底的pn结部分C减少程度增大了)，但是没有发生明显的差别。因此，在本发明中，分光传感器的作用可以在施加到衬底的电压不变的同时通过改变Vg由此改变在扩散层中电子被捕获时距离表面的深度W而实现。
图11和12显示具有该结构的分光传感器(的照片)，该分光传感器已经实际制造出来了。图11显示一个分光传感器单元的平面图，图12显示全部的分光传感器(4×4)的平面图。
表1显示根据本发明使用波长已知的两种类型的发光二极管(蓝和红)实际制造的器件的测量结果。
显然由表1可见，尽管光强的绝对值相对于实际入射的光强发生了漂移，但是信号的比值是相同的。当考虑光反射时，就可以进行精确探测。
当三种类型的入射光入射时，如下进行测量(1)例如，1V的栅压被施加到透过入射光并掺有被施加该栅压的杂质的多晶硅薄膜7。读此时流经的电流。
(2)其后，2V的栅压被施加到多晶硅薄膜7，并且读此时流经的电流。
(3)其后，5V的栅压被施加到多晶硅薄膜7，并且读此时流经的电流。
(4)在得到的电流值的基础上，通过以上方程计算入射光的每个波长的强度。
如上所述，迄今为止，需要一个机械装置例如光栅来分离光波长。相反，根据本发明的分光传感器，通过在扩散层中捕获电子的深度(位置)变化多次(例如100次)的同时进行测量，可以以100的分辨率绘制入射光的波长。因此，光可以分成波长，而不需要光栅或类似物。
此外，本发明可以用于以下应用。
无彩色滤光片的彩色图像传感器图13是根据本发明的一个应用的无彩色滤光片的一个彩色图像传感器系统的方框图。
图中，参考数字11表示一个分光传感器阵列，参考数字12表示一个垂直选择器(垂直扫描器)，参考数字13表示一个噪声消除电路(列CDS)，参考数字14表示一个水平选择器(水平扫描器)，Vsig1表示光信号输出1，Vsig2表示光信号输出2，Vsig3表示光信号输出3，VbN和VbP表示用于低电流驱动的偏压。
因此，本发明的分光传感器呈一维或二维阵列，并且分光传感器阵列11通过其上的一个移位寄存器切换来读信号。在每次切换过程中为了抑制噪声，还在信号的输出部分安装了噪声消除电路13。例如，捕获电子的深度(位置)每1/180秒变化一次，测量每次的信号。由该信号计算红、绿、蓝波长的强度以输出彩色图像信号。
荧光传感器生物反应通常利用荧光反应。通常，通过短波长的照射光(激励光)产生荧光，并且观察得到的荧光。因为荧光被激励光隐藏了，所以一般图像传感器中使用一个不透过激励光仅透过荧光的带通滤光片。因此，该装置的尺寸很大。
使用本发明的分光传感器可以不使用带通滤光片，而仅测量激励光除外的荧光。
本发明不限于以上例子。在本发明的目的的基础上可以进行各种变型，并且这些变型不排除在本发明的范围以外。
如详细所述，本发明可以提供以下优点(A)提供了用于测量入射光的一种方法，采用具有对应入射光的单个电子捕获部分的一个简单的半导体结构，以及采用该方法的一种分光传感器。
(B)无彩色滤光片的一种彩色图像传感器可以作为该分光传感器的一种应用。
工业适用性根据本发明的用于测量入射光的一种方法，以及具有采用该方法的分光装置的一种传感器，可以用作一个分光传感器以及无彩色滤光片的一个彩色图像传感器，是该分光传感器的一个应用。
权利要求
1.一种用于测量入射光的方法，采用半导体结构，该半导体结构包括透过入射光且被施加栅压的一个电极薄膜，以及用于捕获由入射光产生的电子的一个扩散层，该扩散层位于该电极薄膜的下方，其间还有一个绝缘薄膜，其中栅压是变化的，在扩散层中电子被捕获时距离扩散层表面的深度是变化的，并且表示电子数量的电流被测量，由此测量该入射光的波长和强度。
2.根据权利要求1的用于测量入射光的方法，其中根据入射光的类型设置栅压的变化次数。
3.一种分光传感器，包括(a)半导体衬底；(b)位于该半导体衬底上的第一扩散层；(c)位于第一扩散层一部分处的第二扩散层；以及(d)位于第一扩散层上的一个电极薄膜，其间有一个绝缘薄膜，该电极薄膜透过入射光并被施加一个栅压，其中(e)该栅压是变化的，第一扩散层中入射光产生的电子被捕获时距离第一扩散层的表面的深度是变化的，以便与栅压对应，并且表示电子数量的电流被测量，由此测量该入射光的波长和强度。
4.根据权利要求3的分光传感器，其中第一扩散层包括一个p-型扩散层，第二扩散层包括一个n+扩散层，并且该半导体衬底包括一个n-型半导体衬底。
5.根据权利要求3的分光传感器，其中被施加一个栅压的电极薄膜是掺有杂质的一个多晶硅薄膜。
6.一种无彩色滤光片的彩色图像传感器，包括一个分光传感器阵列，该阵列包含一维或二维排列的根据权利要求3的分光传感器，其中该分光传感器阵列通过与分光传感器阵列一起形成的一个移位寄存器切换来读信号，捕获电子的深度是变化的，以测量每次的信号，并且红、绿、蓝波长的强度从该信号计算得到，以输出彩色图像信号。
7.根据权利要求6的无彩色滤光片的彩色图像传感器，进一步包括在该彩色图像信号的输出部分的噪声消除电路。
8.根据权利要求6的无彩色滤光片的彩色图像传感器，其中捕获电子的深度每1/180秒变化一次。
全文摘要
一种用于测量入射光的方法，采用具有对应入射光的单个电子捕获部分的一个简单的半导体结构，以及具有采用该方法的分光装置的一种传感器。一个分光传感器包含半导体衬底(1)，位于半导体衬底(1)上的第一扩散层(2)，位于第一扩散层(2)一部分处的第二扩散层(3)；以及位于第一扩散层(2)上的一个电极薄膜(7)，其间有一个绝缘薄膜(4)，该电极薄膜(7)透过入射光并被施加一个栅压。在该分光传感器中，栅压是变化的，第一扩散层(2)中入射光产生的电子被捕获时的深度是变化的，以便与栅压对应，并且表示电子数量的电流被测量，由此测量该入射光的波长和强度。
文档编号H04N5/335GK1809732SQ20048001764
公开日2006年7月26日 申请日期2004年3月25日 优先权日2003年6月23日
发明者泽田和明, 石田诚, 丸山结城, 武藤秀树 申请人:独立行政法人科学技术振兴机构