專利名稱：多光譜感光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多光譜感光器件，具體的說，涉及一種多光譜感光器件的物理實現(xiàn)和制作。更準確而言，本發(fā)明涉及用CCD或CMOS半導(dǎo)體來實現(xiàn)可以同時感應(yīng)多個光譜 (如可見光和紅外線)的用于全色圖像的感光器件。這里，全色是指整個感興趣的光譜。對 于普通(可見光)感光器件，全色指涵蓋紅，綠，藍和白色的整個可見光譜。對于紅外和彩 色合一的感光器件，全色是指可見光譜和紅外光譜。本發(fā)明可適用于包含紅外，黑白和彩色 圖像的多光譜感光器件。
背景技術(shù)：
本發(fā)明是本發(fā)明人稍早一點的《多光譜感光器件及其制作方法》(PCT/ CN2007/071262)和《多光譜感光器件及其制作方法》(中國申請?zhí)?00810217270. 2)的延 續(xù)，旨在提供更為具體而且優(yōu)選的半導(dǎo)體物理實現(xiàn)。之前的感光器件，要么專注于彩色可見光，要么專注于紅外光，很少有將二者 合在一起的。雖然也有其它的發(fā)明或申請，例如采用銦銻的半導(dǎo)體技術(shù)(“Silicon infrared focalplane arrays”，Μ· Kimata，in Handbook of Infrared Detection Technologies，editedby M. Henini and M. Razeghi, pp.352-392，Elsevier Science Ltd.，2002)，來同時實現(xiàn)可見和紅外光的感應(yīng)，但它們沒有得到彩色。而現(xiàn)有的同時得 到彩色和紅外感光的方法是將一個彩色感光器件與一個紅外感光器件，物理迭加在一起 (如"Backside-hybridPhotodetector for trans-chip detection of NIR light]，by T. Tokuda et al.，in IEEEWorkshop on Charge-coupled Devices & Advanced Image Sensors,Elmau,Germany,May2003,and "A CMOS image sensor with eye-safe detection function using backsidecarrier injection”， T.Tokuda et al. ， J.Inst Image Information & Television Eng. ,60(3) :366_372，March 2006)。之所以現(xiàn)有的感光器件，未能將彩色感光器件與紅外感光器件集成在一起的主要 原因有三個。第一個原因是現(xiàn)有的彩色感光器件都需要用到彩色濾光膜(紅/綠/蘭，或 青/黃/品紅/綠色)來得到彩色。而這些濾光膜對紅外也有很強的濾光特性。此外，為 了讓色彩鮮艷，還專門在鏡頭上加紅外濾光鏡，以削弱紅外光可能給彩色圖象帶來的發(fā)霧 現(xiàn)象。雖然Foveon公司的X3三層感光技術(shù)用深度實現(xiàn)色彩的選擇，省去了濾光膜，但是三 層感光技術(shù)制作已經(jīng)非常困難而且產(chǎn)業(yè)化情況并不好，如果再在下面加一個紅外層，那么， 情況只會更加復(fù)雜，因而很難具備實用價值。第二個原因是，半導(dǎo)體常用的硅通常只能吸收 1100納米以下波長的紅外線。因此，很多用于紅外感光的器件，采用的是其它半導(dǎo)體材料， 如鍺，硅鍺混合晶體，HgCdTe，InSb等材料。這些材料不適合用于可見光。第三個是缺少切 實可行的雙層或多層感光器件的制作技術(shù)。因此，如何更好地實現(xiàn)彩色感光，并將彩色感光器件與紅外感光器件進行集成，這 些問題有待于進一步的研究與改進。

發(fā)明內(nèi)容
基于上面所述，本發(fā)明提供了一種多光譜感光器件，不但能夠更好地實現(xiàn)彩色感 光，也提供了將彩色感光器件與紅外感光器件集成的實現(xiàn)方案。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是一種多光譜感光器件，包括一個基層，在所述基層上設(shè)有復(fù)數(shù)個按照預(yù)設(shè)圖案重 復(fù)排列的復(fù)合感光象素宏單元，所述復(fù)合感光象素宏單元包含至少一個復(fù)合感光象素，所 述復(fù)合感光象素由至少兩個基本感光象素組成，所述基本感光象素沿光照方向每層一個分 層布置，并以一面至多兩層的方式，分布在基層的頂面，或底面，或頂面和底面。
在所述的多光譜感光器件的一種實施例中，所述復(fù)合感光象素中的基本感光象素 包括2個，在基層的頂面或底面分兩層布置，形成為單面雙層復(fù)合感光象素，或分別布置在 基層的頂面和底面，形成為雙面雙層復(fù)合感光象素。所述的多光譜感光器件，所述基層中的復(fù)合感光象素可以為單面雙層復(fù)合感光象 素，從而使所述多光譜感光器件構(gòu)成單面雙層感光器件。所述單面雙層復(fù)合感光象素可以由通過在一個N硅的基層上先做P參雜(P doping)，然后再在P參雜的層上面，做N參雜后構(gòu)成的N-P-N復(fù)合結(jié)來形成。所述單面雙層復(fù)合感光象素也可以由通過在一個P硅的基層上先做N參雜(N doping)，然后再在N參雜的層上面，做P參雜后構(gòu)成的P-N-P復(fù)合結(jié)來形成。所述的多光譜感光器件，所述基層中的復(fù)合感光象素可以為雙面雙層復(fù)合感光象 素，從而使所述多光譜感光器件構(gòu)成雙面雙層感光器件。所述雙面雙層復(fù)合感光象素可以由通過在一個N硅的基層的頂面和底面都做P參 雜(Pdoping)而得到的P-N-P復(fù)合結(jié)來形成。所述雙面雙層復(fù)合感光象素也可以由通過在一個P硅的基層的頂面和底面都做N 參雜(N doping)而得到的N-P-N復(fù)合結(jié)來形成。在所述的多光譜感光器件的一種實施方式中，所述復(fù)合感光象素中的基本感光象 素包括3個或4個，其中兩個在基層的頂面或底面分兩層布置，剩余的基本感光象素在基層 的底面或頂面分一層或兩層布置，形成為雙面多層復(fù)合感光象素。所述的多光譜感光器件，所述基層中的復(fù)合感光象素可以為雙面多層復(fù)合感光象 素，從而使所述多光譜感光器件構(gòu)成雙面多層感光器件。所述雙面多層復(fù)合感光象素可以由通過在一個硅的N基層的頂面和底面都做P參 雜，以及再在P參雜層做N參雜而得到的P-N-P，N-P-N-P, P-N-P-N, N-P-N-P-N的復(fù)合結(jié)來 形成。所述雙面多層復(fù)合感光象素可以由通過在一個硅的P基層的頂面和底面都做N參 雜，以及再在N參雜層做P參雜得到的N-P-N，N-P-N-P，P-N-P-N，或P-N-P-N-P的復(fù)合結(jié)來 形成。所述的多光譜感光器件，所述復(fù)合感光象素中的基本感光象素各自感應(yīng)可見光或 可見光及紅外光的兩兩正交的一個譜段，所述復(fù)合感光象素宏單元的所有復(fù)合感光象素所 感應(yīng)的光譜信息結(jié)合起來包含RGB或CMYK彩色重建所必需的光譜信息。所述的多光譜感光器件，所述復(fù)合感光象素中離光源最近的基本感光象素所感應(yīng) 的光譜包括空色，藍色，綠色，青色，白色，和白色加紅外色。
所述的多光譜感光器件，所述復(fù)合感光象素中離光源最遠的基本感光象素所感應(yīng)的光譜包括空色，綠色，紅色，黃色，白色，紅色加紅外色，黃色加紅外色，和白色加紅外色。所述的多光譜感光器件，所述復(fù)合感光象素單元的底層用于感應(yīng)紅外光的基本感光象素的底部表面還生長有對紅外光吸收更好的硅鍺晶體層或鍺晶體層。所述的多光譜感光器件，所述用于感應(yīng)紅外光的基本感光象素的底部，還鍍設(shè)有鏡面反射鍍膜。所述的多光譜感光器件，所述復(fù)合感光象素用主動方式來采樣而形成主動感光象素(Active Pixel)。所述的多光譜感光器件，所述復(fù)合感光象素用被動方式來采樣而形成被動感光象素(Passive Pixel)。所述的多光譜感光器件，所述復(fù)合感光象素中的基本感光象素為感光二極管或感光門。所述的多光譜感光器件，所述多光譜感光器件的感光方式包括正面感光，背面感光，或雙向感光方式，所述雙向感光方式包括分時選向，分區(qū)選向，或象素選向方式。所述的多光譜感光器件，所述預(yù)設(shè)圖案包括復(fù)合象素的重復(fù)排列，方陣排列，或蜂 窩圖案排列。本發(fā)明有益的技術(shù)效果在于1、更加良好的彩色感光性能以及彩色感光與紅外感光的集成。在本發(fā)明中，以包 含至少兩個基本感光象素的復(fù)合感光象素的形式提供了在光源照射方向上的至少兩個感 光象素層，基本感光象素在不同層上感應(yīng)光譜的各個譜段，這樣，通過感光象素層在深度上 的布置，實現(xiàn)了在基層一個表面上的同一象素位置可以感應(yīng)到至少兩個譜段，從而提供了 在該表面上的復(fù)合感光象素宏單元圖案排列上的更好的靈活性以及更多的象素布置，從而 能夠大幅提高感光器件的靈敏度，解析度，和動態(tài)范圍。另一方面，當(dāng)將兩個感光象素層布 置為一者感應(yīng)可見光，另一者感應(yīng)紅外光，則可輕易地實現(xiàn)將可見光與紅外光的集成，實現(xiàn) 同時感應(yīng)彩色和紅外光。2、產(chǎn)品實現(xiàn)的加工工藝簡單。本發(fā)明可以通過采用現(xiàn)有的CXD或CMOS感光芯片 加工工藝和設(shè)備，而能輕易制成能夠用于正面感光，背面感光，或雙向感光的單面雙層多光 譜感光器件，雙面雙層多光譜感光器件，和雙面多層多光譜感光器件。
背景技術(shù)：
中的Foveon 公司的三層感光器件，其為了實現(xiàn)彩色感光，必須在同一位置布置3層來分別感應(yīng)RGB三色 從而完成彩色重建。然而，這樣的方式，不僅在3層的加工上難度極大，同時在布線上，由于 各層間的引線需要相互隔離，3層引線顯然造成了布線上的困難。在這樣的基礎(chǔ)上，如果還 想增加一層來進行紅外感光，幾乎已不可能。而本發(fā)明，則以平面上的象素圖案排列完成彩 色重建，從而不需要在深度方向布置3層來實現(xiàn)彩色重建，因而得以同一面上最多布置兩 層基本感光象素的方式來實現(xiàn)更好的彩色感光性能。由于同一面上最多只布置兩個感光象 素層，因而明顯降低了立體加工工藝的難度，且在布線上，也相對簡單。尤其是當(dāng)采用雙面 雙層方式，即復(fù)合感光象素中的兩個基本感光象素分別布置在相對的兩個面時，不僅與單 面雙層方式一樣，具有更好的彩色感光性能，對于每一面而言，其都簡化為平面加工工藝， 可以在一面上完成一個感光象素層的平面加工后，將基層進行翻轉(zhuǎn)而在另一面同樣以平面 加工工藝完成另一感光象素層的加工，使得加工工藝近似于現(xiàn)有的單面單層感光器件的加工工藝。3、由于本發(fā)明的感光器件采用深度光譜濾波及平面圖案排列相結(jié)合的方式來完 成彩色重建，一方面，可以不需要做彩色鍍膜，大幅提高了良品率。另一方面，可以提供冗 余的色彩信息、因而很多的壞點和死點情況，可以通過后端處理，利用冗余的色彩信息來修 復(fù)。從而從整體上降低了感光器件的故障發(fā)生率。本發(fā)明將通過實施例描述多個能用于可見光和紅外光的雙層和多層多光譜感光 器件的優(yōu)選實現(xiàn)。這些優(yōu)選實現(xiàn)，僅僅是作為舉例來說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的 保護范圍。對于相關(guān)業(yè)界的有識之士而言，本發(fā)明的上述及其它目的和優(yōu)點，在閱讀過下面的結(jié)合了


的具體實施方式
的細節(jié)描述之后，將是十分明顯的。

為了簡單起見，下面的附圖描述主要都是以感光二極管(Photo Diode)為基礎(chǔ)的 示意圖。但幾乎所有的例子都同樣可以用于感光門(Photo Gate)。圖1是一個傳統(tǒng)的單層感光二極管的示意圖。圖2是一個Foveon公司發(fā)明的三層復(fù)合感光二極管的示意圖，其中頂層二極管感 應(yīng)藍色，中間二極管感應(yīng)綠色，底層的二極管感應(yīng)紅色。這種方式充分利用光的穿透深度與 波長有關(guān)的關(guān)系。從這個圖中我們已經(jīng)可以想象這種感光器件在象素讀取上的困難三個 不同色彩的象素，讀取電路將占據(jù)很大的空間而且布線困難。圖3(a)、(b)分別是與本發(fā)明相關(guān)的雙層多光譜感光器件的示意圖。圖3(a)適用 于單面雙層感光器件，圖3(b)適用于雙面雙層感光器件。其中深度T1, T2，T3，和T4根據(jù)光 在基層材料(硅)中的入射深度與波長的關(guān)系曲線來決定(Gerald C. Hoist andTerrance S. Lomheim,"CM0S/CCD Sensors and Camera Systems",JCD Publishing,pp. 125-125,ISBN 9780819467300,2007)。例如，如果頂層想得到藍色(或青色)，那么其中T1應(yīng)該選為1. 5um 左右(或4. 5um左右)；而底層為了得到紅色，則[和！^至少應(yīng)為811111，113至少應(yīng)為4. 5um。 如果底層為了得到黃色，則T2和T4至少應(yīng)為8um，T3至少應(yīng)為1.5um。頂層的感光二極管與 底層的感光二極管構(gòu)成了一個復(fù)合二極管對(復(fù)合感光象素)。當(dāng)光從頂部照射時，頂層的 感光二極管離光源更近。當(dāng)光從底部照射時，底層的感光二極管離光源更近。圖4(a)和圖4(b)顯示的是同時感應(yīng)可見光和紅外光的復(fù)合感光二極管對(復(fù)合 感光象素)。為了接受紅外光，硅基層的厚度(圖3中的T2和T4)可以更厚一些。圖5(a)和圖5(b)是單面雙層感光器件中的復(fù)合感光二極管對處于背面照射時的 情況，其中圖5(a)僅感應(yīng)可見光，而圖5(b)同時感應(yīng)可見光和紅外光。為了讓兩種復(fù)合感 光二極管的厚度基本一樣，可以在感應(yīng)紅外線光的感光二極管的背后，生長吸收紅外光更 好的鍺或硅鍺晶體(SiGe)。圖6(a)和圖6(b)是雙面雙層感光器件中的復(fù)合感光二極管對處于正面照射時的 情況，其中圖6(a)僅感應(yīng)可見光，而圖6(b)同時感應(yīng)可見光和紅外線光。同樣，為了讓兩 種復(fù)合感光二極管的厚度基本一樣，可以在感應(yīng)紅外光的感光二極管的背后，生長吸收紅 外光更好的鍺或硅鍺晶體(SiGe)。圖7顯示的是圖3(a)中的復(fù)合感光二極管的帶有讀取裝置的情況。單面雙層感光器件由于布線和讀取電路共享的困難，所以比較適合于用(不帶FD和放大電路的)被動感光象素(Passive Pixel)來實現(xiàn)。圖8顯示的是圖3(b)中的復(fù)合二極管的帶有讀取裝置的情況。相比之下，雙面雙層感光器件在布置讀取電路時，比單層感光器件還要容易和靈活。因此，雙面雙層感光器件 即可以用被動感光象素(Passive Pixel)來實現(xiàn)，也可以用主動感光象素(Active Pixel) 來實現(xiàn)，而且，用主動感光象素(Active Pixel)來實現(xiàn)時，平均每個象素可以做到只用1.5 個門(采用3T讀取電路)，或1.75個門(采用4T讀取電路)。圖9顯示的是當(dāng)前比較好的4-點共享4T主動感光象素的讀取電路，平均每個象 素采用了 1.75個門。我們用這個來說明，本發(fā)明的兩層或多層感光器件，可以采用當(dāng)前相 當(dāng)標準的讀取和采樣電路。圖10顯示的是簡單直接地將單面雙層感光器件用于雙面感光而得到的雙面三層 感光器件的一個例子，其中圖10(a)的正面為一層，背面為兩層，而圖10(b)的正面為兩層， 背面為一層。這種同樣是三層的感光器件比Foveon公司的X3三層感光器件容易而且變化 多很多。注意到圖10與圖2的差別。圖2中三個色彩的感光象素都擠在一個面上，而圖10 中只有兩個象素在一個面上，另一個象素在另一個面上。圖11顯示的是將單面雙層感光器件與雙面感光方式結(jié)合而產(chǎn)生的一種雙面四層 感光器件。采樣這種感光器件，可以在每一個象點同時得到蘭，綠，紅，和紅外四個色彩。雖 然色彩更多，層次也更多，但制作仍然比Foveon公司的X3三層感光器件容易。圖12顯示的是三層和四層混合的雙面多層感光器件的例子。圖13顯示的是兩層和四層混合的雙面多層感光器件的例子。圖14顯示的是兩層和三層混合的雙面多層感光器件的例子。圖15和圖16顯示的是兩層和一層混合的單面或雙面雙層感光器件的例子。在圖12-16中我們看到了多層復(fù)合感光象素的一種退化的情況當(dāng)N層復(fù)合感光 象素的其中一個為空象素時，那么，N層復(fù)合感光象素就退化成(N-I)層復(fù)合感光象素。如 圖15和16就顯示了一些雙層感光象素退化成單層的情況。當(dāng)其中兩個為空象素時，N層 復(fù)合感光象素就退化成(N-2)層復(fù)合感光象素，如此類推。當(dāng)復(fù)合象素中層數(shù)不一致時，可以看成是其中一些層包含了空象素(感應(yīng)空色)。 因而，混合多層感光器件是多層感光器件的特例，即其中一些復(fù)合象素包含了空象素。這些例子充分顯示出單面雙層感光器件和雙面雙層或多層感光器件的威力。將這 兩種器件的技術(shù)結(jié)合，可以產(chǎn)生一系列全新的豐富多彩的高性能感光器件。需要特別指出 的是，在一個三層以上的感光器件中，處于各個層面的感光二極管所感應(yīng)的光譜，必須兩兩 正交(即理論上沒有公共或重合部分)。圖17 (a)和圖17 (b)顯示的是一種方陣排列和蜂窩排列的雙面雙層感光器件的俯 視圖，其中FD是上下兩層共用的讀取電容。當(dāng)然，如果需要，上下兩層可以各用一個讀取電 容，甚至各用一組讀取電路。圖18(a)顯示的方陣排列的雙面雙層多光譜(彩色加紅外)感光器件的俯視圖， 其中FD是上下兩層共用的讀取電容。圖18(b)顯示的方陣排列的雙面雙層多光譜(彩色 加紅外)感光器件的俯視圖，其中FD是上下兩層共用的讀取電容。這種由兩個復(fù)合象素組 成的宏象素單元，也可以采用圖9所示意的4-點共享主動感光象素的讀取電路。與單面單層的感光器件不同，圖18(b)中的共用讀取電路的四個感光二極管，分布在兩個面上。圖19顯示的是一個雙面雙層多光譜(彩色加紅外)感光器件8-點共享或4-點 共享讀取電路的橫截面圖(省去了 3T或4T讀取電路)。這里顯示的是一種極端的，F(xiàn)D上 下共通的情況。對于雙面雙層多光譜(彩色加紅外)感光器件，即使是4-點共享讀取電 路，也有兩個選擇其一是四個點來自同一個面，其二四個點來自是來自不同的面。在這個 圖里，我們使用了另一種方法來提高紅外光的吸收效率，即在鍺或硅鍺層的背后，鍍以鏡面 反射材料(如鋁，銀或其它跟鍺或硅者配合不錯的反射材料)。圖20顯示的是一個雙面雙層多光譜(彩色加紅外)感光器件8-點共享或4-點 共享讀取電路的橫截面圖(省去了 3T或4T讀取電路)。這里顯示的是一種簡單一點的FD 上下不通的情況。當(dāng)FD上下不通的時候，那么頂面或底面都跟單面單層的情況一樣。圖21顯示的是一種簡單的制作雙面雙層的感光器件的情況。當(dāng)基層不透明時，那 么，上下兩層可以用簡單的重復(fù)兩次的單面單層感光器件加工的方法得到。兩個面上的器 件也可以完全獨立。這是得到雙向感光器件的一種最簡單的方式。圖22(a)和圖22(b)顯示的是一個單面雙層感光器件分別用于正面感光和背面感 光時的情況。注意到圖中兩層的感光二極管對中，離光源近的感光二極管得到更短波長的 色彩。圖23(a)和圖23(b)顯示的是一個雙面雙層感光器件分別用于正面感光和背面感 光時的情況。注意到圖中兩層的感光二極管對，當(dāng)光源改變方向時，色彩的變化。對于雙向 對稱(可參見《多光譜感光器件及其制作方法》(中國申請?zhí)?200810217270. 2)的雙面雙 層感光器件來說，一般情況下，當(dāng)光源改變方向時，青色和黃色對換，藍色和紅色對換，綠色 不變。圖24(a)和圖24(b)宏象素采用3個復(fù)合感光二極管(復(fù)合感光象素)的雙面雙 層感光器件的正面和背面的情況。當(dāng)宏象素包含3個點時，通常采用蜂窩排列。圖25、圖26、圖27是另外幾種雙面雙層感光器件的可能實現(xiàn)。這些圖示充分顯示 雙面雙層感光器件的靈活性和多樣化特點。我們在圖3至圖16中對于復(fù)合二極管的討論， 經(jīng)過合理的變化，也都適用于圖22至圖27的情況。我們謹用少量的圖來說明原理，而不是 限制本發(fā)明的精髓和范疇。圖28是一個感光門(Photo Gate)的原理示意圖。在以上的圖例中，如果我們將 用作基本感光象素的感光二極管(Photo Diode)用感光門(Photo Gate)來取代，那么，可 以得到很多完全類似的實現(xiàn)和結(jié)論。
具體實施方式

為便于描述本發(fā)明并解釋其與現(xiàn)有技術(shù)的差別，我們現(xiàn)給出如下名詞的定義雙 層感光器件，多層感光器件，雙面感光器件，雙向感光器件。其中，雙層感光器件是指感光象 素被物理上分成兩層，每一層都含有感應(yīng)特定光譜的感光象素。多層感光器件是指兩層以 上的感光器件，確如Foveon公司的X3感光器件。雙面感光器件是指感光器件具有兩個感 光表面，每一個面都能至少從一個方向上感光。雙向感光器件是指感光器件能從兩個(通 常互成180度)的方向上感光，亦即從感光器件的正面和背面都能感光。一個感光器件可以同時具有雙層或多層，雙面，和雙向這三個特點中的一個，兩個，和所有三個特點。本發(fā)明主要涉及單面雙層感光器件(如圖22(a)和圖22(b)所示)， 雙面雙層感光器件(如圖23 (a)和圖23 (b)所示)，和雙面多層感光器件(如圖10-14)。無 論是單面雙層還是雙面雙層或多層感光器件，都可以用于正面感光(如圖22(a)所示)，背 面感光(如圖22(b)所示)，或是雙向感光(如圖21或圖23所示)。但是，用于不同的照 射情況下時，感光器件的設(shè)計是不同的。本發(fā)明具體實施方式
的多光譜感光器件，包括一個基層，在所述基層上設(shè)有復(fù)數(shù) 個按照預(yù)設(shè)圖案重復(fù)排列的復(fù)合感光象素宏單元，所述復(fù)合感光象素宏單元包含至少一個 復(fù)合感光象素，所述復(fù)合感光象素由至少兩個基本感光象素組成，所述基本感光象素沿光 照方向每層一個分層布置，并以一面至多兩層的方式，分布在基層的頂面，或底面，或頂面 和底面。需要注意的是，這里只是以頂面和底面的概念來表達基層兩面的相對位置，而并非 對基層表面絕對物理位置的限制，在下面的描述中，另外使用了相對光源位置來描述的基 層的正面和背面的概念來表達類似的含義。
在此，提出了三個概念，復(fù)合感光象素宏單元，復(fù)合感光象素，和基本感光象素，其 中，基本感光象素是每一層上不能再分的感光象素，復(fù)合感光象素則是至少兩個基本感光 象素的組合，復(fù)合感光象素中的基本感光象素以沿光照方向分層的形式布置，在每一層布 置一個基本感光象素，如前述

中所述，基本感光象素可以感光二極管或感光門實 現(xiàn)，當(dāng)以感光二極管形式實現(xiàn)，則復(fù)合感光象素形成復(fù)合感光二極管對。當(dāng)然，需要注意的 是，復(fù)合感光象素中的各個感光象素層，沿光源照射方向(通常是基層感光表面的法線方 向)布置，但并不限制只布置在基層的一個面上，如果以光源照射經(jīng)過的基層的相對兩面 中，靠近光源的一面為基層正面，遠離光源的一面為基層背面，那么，復(fù)合感光象素中的各 個感光象素層，可以都在基層正面，也可以都在基層背面，或者分別在基層的正面和背面， 但一個面上最多布置兩個感光象素層?？偨Y(jié)感光象素層的分布位置和數(shù)量關(guān)系，對于一個 光源照射方向，感光象素層的分布方式可以有[2，0]，W，2](單面雙層)，[1，1](雙面雙 層)，[1，2]，[2，1]，[2，2](雙面多層)。其中，前一數(shù)字為復(fù)合感光象素中布置在基層正面 的感光象素層數(shù)目，后一數(shù)字為復(fù)合感光象素中布置在基層背面的感光象素層數(shù)目。復(fù)合 感光象素宏單元則是能夠重建彩色的最小數(shù)量的復(fù)合感光象素的集合，也稱宏象素，將此 復(fù)合感光象素宏單元通過預(yù)設(shè)圖案(例如是方陣或蜂窩圖案排列方式，或重復(fù)排列)重復(fù) 排列，從而能夠在整個圖像平面實現(xiàn)彩色重建。對于雙層多光譜感光器件，復(fù)合感光象素宏 單元通常包含至少兩個復(fù)合象素。但是對于雙面多層多光譜感光器件，宏單元可以為單一 復(fù)合象素。由于一個復(fù)合感光象素具有多種類型，而布置在基層上的多個復(fù)合感光象素可能 具有不同的類型，使得本發(fā)明的感光器件具有多種靈活的形式。從一個復(fù)合感光象素的角 度，依據(jù)其基本感光象素的數(shù)目及分布，可以包括單面雙層復(fù)合感光象素，雙面雙層復(fù)合感 光象素，雙面多層復(fù)合感光象素。如前所述，所謂單面雙層復(fù)合感光象素和雙面雙層復(fù)合感 光象素，其基本感光象素都是兩個，只是分布不同，單面雙層復(fù)合感光象素中的基本感光象 素是在基層的一面分層布置；而雙面雙層復(fù)合感光象素中的基本感光象素是在基層的兩面 布置。對于雙面多層復(fù)合感光象素，其基本感光象素可以是3個或4個，由于在基層一面至 多布置兩層感光象素，因而這時的基本感光象素必然是分布在基層的兩面，其中至少有一 面是兩個基本感光象素的分層布置。需要注意的是，復(fù)合感光象素的一種特殊情況是其中含有空象素，或者說該感光象素感應(yīng)空色，這時，例如單面雙層復(fù)合感光象素中的一個基本感光象素為空象素時，從感光有效性上說，其相當(dāng)于一個單面單層的復(fù)合感光象素。由于復(fù)合感光象素的多類型的特點，使得在象素布置時相當(dāng)靈活，例如，在基層的一個象素位置上布置單面雙層復(fù)合感光象素，而在其鄰近位置可以布置雙面雙層復(fù)合感光 象素，而在另一臨近位置可以布置雙面多層復(fù)合感光象素，總之，可以在基層的不同象素位 置布置不同類型的復(fù)合感光象素，基于這一特點，特別的，將基層中所有的復(fù)合感光象素為 同一類型時的感光器件依照復(fù)合感光象素類型來定義，例如，當(dāng)基層中所有的復(fù)合感光象 素為單面雙層復(fù)合感光象素時，相應(yīng)形成的感光器件稱為單面雙層感光器件，上述另外兩 種復(fù)合感光象素形成的感光器件則相應(yīng)稱為雙面雙層感光器件，或雙面多層感光器件。需 要注意的是，正如前述，由于復(fù)合感光象素中可能含有空象素，從而使得基層的部分象素位 置的復(fù)合感光象素發(fā)生了退化，例如在一個單面雙層感光器件中，如果一個復(fù)合感光象素 含有一個空象素，則實際上這個單面雙層復(fù)合感光象素退化為一個單面單層的感光象素， 從而使得從細節(jié)上看，一個單面雙層感光器件中的復(fù)合感光象素并不完全是單面雙層復(fù)合 感光象素，但從整體上看，我們?nèi)匀粚⑦@種情況的感光器件歸類為單面雙層感光器件，特別 的，也可以稱其是一種混合的單面雙層感光器件，相應(yīng)的，也存在混合的雙面雙層感光器件 和混合的雙面多層感光器件。復(fù)合感光象素中的基本感光象素一般被安排感應(yīng)可見光或可見光及紅外光感光 中的不同譜段，例如，可以由復(fù)合感光象素中的基本感光象素各自感應(yīng)可見光或可見光及 紅外光的兩兩正交的一個譜段，通過復(fù)合感光象素宏單元中的各個復(fù)合感光象素及復(fù)合感 光象素中的基本感光象素感應(yīng)光譜的不同譜段，可以使復(fù)合感光象素宏單元的所有復(fù)合感 光象素所感應(yīng)的光譜信息結(jié)合起來包含RGB或CMYK彩色重建所必需的光譜信息。其中，復(fù)合感光象素中離光源最近的基本感光象素所感應(yīng)的光譜包括空色，藍色， 綠色，青色，白色，和白色加紅外色。復(fù)合感光象素中離光源最遠的基本感光象素所感應(yīng)的 光譜包括空色，綠色，紅色，黃色，白色，紅色加紅外色，黃色加紅外色，和白色加紅外色。以上是對本發(fā)明中的感光象素如何布置的說明，下面描述本發(fā)明具體實施方式
的 多光譜感光器件的加工實現(xiàn)。根據(jù)基層的材料不同，對于單面雙層多光譜感光器件的實現(xiàn)， 一種做法是取一個硅晶體的N基層(如圖5(a))，在該N基層一面上的一個象素位置，根據(jù)色 彩的深度需求，由該象素位置表面向基層內(nèi)部做一定深度的P雜質(zhì)置入，形成一個P摻雜 層，該P摻雜層即為復(fù)合感光象素的一個感光層，也即形成了復(fù)合感光象素中的一個基本 感光象素。而后在該P摻雜層做另一定深度的N雜質(zhì)置入，形成在P摻雜層中的N摻雜層， 該N摻雜層即為復(fù)合感光象素的另一感光層，也即形成了復(fù)合感光象素中的另一基本感光 象素，這時，這種單面雙層復(fù)合感光象素是由P-N-P的復(fù)合結(jié)形成。另一種做法是，取一個硅晶體的P基層(如圖5(b))，在該P基層一面上的一個象 素位置，根據(jù)色彩的深度需求，由該象素位置表面向基層內(nèi)部做一定深度的N雜質(zhì)置入，形 成一個N摻雜層，該N摻雜層即為復(fù)合感光象素的一個感光層，也即形成了復(fù)合感光象素中 的一個基本感光象素。而后在該N摻雜層做另一定深度的P雜質(zhì)置入，形成在N摻雜層中 的P摻雜層，該P摻雜層即為復(fù)合感光象素的另一感光層，也即形成了復(fù)合感光象素中的另 一個基本感光象素，這時，這種單面雙層復(fù)合感光象素是由N-P-N的復(fù)合結(jié)形成。
上述描述為一個復(fù)合感光象素的制作，對于基層感光面上的其他復(fù)合感光象素的制作，其加工方式相同，只是在不同象素位置，雜質(zhì)置入的深度根據(jù)對應(yīng)象素所希望感應(yīng)的 色彩的光譜的波長決定而有所不同。雙面雙層多光譜感光器件的實現(xiàn)取一個硅晶體的N基層(如圖4 (a))，將正表面的象素按所需色彩進行分類，并對 每一類象素按色彩深度需求做一定深度的P參雜。同樣，也將背面的象素按所需色彩進行 分類，并對每一類象素根據(jù)色彩的深度需求做一定深度的P參雜。P雜質(zhì)置入的深度，由所 希望感應(yīng)的光譜的波長決定。另一種更為優(yōu)越的做法是，取一個硅晶體的P基層(如圖4(b))，將正表面的象素 按所需色彩分類，并對每一類象素按色彩深度需求做一定深度的N參雜。同樣，也將背面的 象素按所需色彩分類，并對每一類象素根據(jù)色彩的深度需求做一定深度的N參雜。N雜質(zhì)置 入的深度，由所希望感應(yīng)的光譜的波長決定。這種N-P-N復(fù)合結(jié)形成的雙面雙層復(fù)合感光 象素比上面P-N-P復(fù)合結(jié)形成的雙面雙層復(fù)合感光象素優(yōu)越是因為N比P的流動性強。雙面多層多光譜感光器件的實現(xiàn)取一個硅晶體的N或P基層(如圖9-14)，將正表面以單面雙層或單層的方式， 做成一個或兩個感光象素層，將背面以單面雙層或單層的方式，做成一個或兩個感光象素 層。根據(jù)這些布置上的不同，構(gòu)成一個雙面多層復(fù)合感光象素的復(fù)合結(jié)包括N-P-N，P-N-P， N-P-N-P, P-N-P-N, N-P-N-P-N, ^P P-N-P-N-P 等多種情況。在得到復(fù)合感光象素之后，如果需要將光電信號讀出，還需要布置讀取電路和其 他控制電路。讀取電路和其它控制電路的布置根據(jù)被動象素(Passive Pixel)還是主動象 素(Active Pixel)進行設(shè)計，如果是選用主動象素的設(shè)計，那么，除了如圖3 (a)的感光二 極管外，還會有如圖7所示的讀取電路，和許多圖中沒標明的標準時序和控制電路。對于用來感應(yīng)紅外光的感光象素層，可以在其對應(yīng)位置的背面，即該用于感應(yīng)紅 外光的感光象素層底部表面，再生長鍺或硅鍺晶體層，以提高紅外光譜的吸收效率。此外， 還可在生長了鍺或硅鍺晶體之后，再設(shè)置上利用鋁質(zhì)、銀質(zhì)或其他材料制成的鏡面反射鍍 膜，以便將沒有被吸收的紅外光子反射回去，從而被紅外感光象素層再次吸收。反射的強度 根據(jù)紅外感光象素層的厚度和吸收率來決定，以免對其它象素產(chǎn)生不必要的干擾。如果用于雙向感光，并采用《多光譜感光器件及其制作方法》(中國申請?zhí)?200810217270. 2)所描述的象素選向或分區(qū)選向方式，那么，在正面的某些象素類或象素區(qū) 涂上遮光鍍膜，并在背面的其它象素類或象素區(qū)涂上遮光鍍膜。在以上的實現(xiàn)中，我們完全可以用感光門(Photo Gate)來取代感光二極管 (PhotoDiode)，從而得到以感光門為基礎(chǔ)的單面雙層，雙面雙層，和雙面多層感光器件。由于本發(fā)明得到的單面雙層，雙面雙層，或雙面多層感光器件提供了冗余的色彩 信息，因此，對于很多成本和尺寸都很關(guān)鍵的應(yīng)用(例如手機)，部分復(fù)合象素可以包含空 象素，從而得到退化的混合單面雙層，混合雙面雙層，和混合雙面多層感光器件。本發(fā)明既可以用CXD的技術(shù)和工藝來制作，也可以用CMOS的技術(shù)和工藝來制作。 由于本發(fā)明帶來的超高靈敏度，基本象素即可以用被動感光象素(Passive Pixel)的方式， 也可以采用主動感光象素(Active Pixel)的方式來讀取。這些特點，使得本發(fā)明與現(xiàn)有成 熟半導(dǎo)體感光芯片制作技術(shù)完全融合，因而可以得到廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明在大幅提高感光芯片的性能和功能的同時，由于良品率的提高，也能夠降低或者至少不增加成本。本發(fā)明通過將復(fù)合感光象素中的基本感光象素優(yōu)化地安排在兩個深度上，并形成 單面雙層，雙面雙層，和雙面多層感光器件的多種類型，極大地擴充了感光芯片的種類，并首次在物理上實現(xiàn)了紅外感光和彩色感光在單一芯片上的重疊和集成。依照本發(fā)明提供的制作方式并在其基礎(chǔ)上做自然和輕微的變通(如加濾光膜)， 就能通過單面雙層，雙面雙層，單或雙面多層的形式，形成(空色，白色)，(藍色，黃色)， (藍色，綠色)，(綠色，紅色)，(藍色，紅色)，(藍色，紅+紅外)，(藍色，黃+紅外)，(空 色，白+紅外)，(白色+紅外)，(蘭/綠/紅/青/黃/白，紅外)等等對應(yīng)所有的可見光 或可見光加紅外光中正交的雙層或多層復(fù)合感光象素。本發(fā)明通過前述雙面、雙向、雙層，和多層等感光方式的應(yīng)用，從而能夠以單一感 光器件用于雙向感光系統(tǒng)，極大地降低系統(tǒng)成本，減少尺寸，減少系統(tǒng)復(fù)雜度；且使得一些 需要在同一個系統(tǒng)上接受到多光譜或多方向(或來自兩個方向的多光譜信號)的應(yīng)用，成 為可能。例如，目前用于檢查病人的腸胃系統(tǒng)的藥丸相機，只在一頭裝有照相頭。為獲得腸 胃系統(tǒng)某一位置的圖像，可能需要多次的拍攝，從而給病人帶來極大的痛苦及巨大的經(jīng)濟 花銷。為此，則需要提高單次拍攝的拍攝范圍，而如果需要在藥丸相機的另一端也裝有照相 頭，采用現(xiàn)有技術(shù)手段，就必須在一個非常小的空間內(nèi)，裝兩套系統(tǒng)，實現(xiàn)上有較大的難度。 而采用本發(fā)明，只需在另一頭增加一個鏡頭而已，其感光芯片仍舊只是采用一片，不僅對空 間的要求不高，而且經(jīng)濟成本也低于兩套系統(tǒng)的花銷。此外，本發(fā)明可以在一個監(jiān)控相機 上，監(jiān)控前后兩個方向，對于很多裝有前后兩個攝像頭的3G手機，采用本發(fā)明，可用一個雙 向攝像頭來取代，通過電子或機械切換來實現(xiàn)前后景象的切換。對于一些高級賓館的監(jiān)控 系統(tǒng)來說，其如果要監(jiān)控樓道的兩端的景象，采用本發(fā)明，就可以不再需要兩套監(jiān)控系統(tǒng)分 別監(jiān)視兩個方向，而只需一套監(jiān)控系統(tǒng)就能完成必要的監(jiān)控。本發(fā)明提供的用集成的方式，在同一(CMOS或CXD半導(dǎo)體)器件上，實現(xiàn)彩色和紅 外的同時感光，而且彩色圖像和紅外圖像在空間位置上是重疊的。這樣新型的感光器件，極 大地擴展了感光器件的動態(tài)范圍，從而滿足汽車，安防等領(lǐng)域里的高性能要求.不僅如此， 將它用于小尺寸的彩色感光器件，如手機用的攝像頭，也能大幅地提高圖像品質(zhì)。雖然本發(fā)明以優(yōu)選的實現(xiàn)為例來加以描述，但這種揭示不應(yīng)被理解為具有限制 性。對于那些精于圖像感光器件(如半導(dǎo)體芯片)又熟讀本文的人來說，許多變化和發(fā)揮 都是可能的，這些變化和發(fā)揮仍然落在本發(fā)明的范疇，只要它們屬于本發(fā)明的真正精髓和 簡單變化。
權(quán)利要求
一種多光譜感光器件，其特征在于，包括一個基層，在所述基層上設(shè)有復(fù)數(shù)個按照預(yù)設(shè)圖案重復(fù)排列的復(fù)合感光象素宏單元，所述復(fù)合感光象素宏單元包含至少一個復(fù)合感光象素，所述復(fù)合感光象素由至少兩個基本感光象素組成，所述基本感光象素沿光照方向每層一個分層布置，并以一面至多兩層的方式，分布在基層的頂面，或底面，或頂面和底面。
2.如權(quán)利要求1所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述復(fù)合感光象素中的基本感 光象素包括2個，在基層的頂面或底面分兩層布置，形成為單面雙層復(fù)合感光象素，或分別 布置在基層的頂面和底面，形成為雙面雙層復(fù)合感光象素。
3.如權(quán)利要求2所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述基層中的復(fù)合感光象素為 單面雙層復(fù)合感光象素，從而使所述多光譜感光器件構(gòu)成單面雙層感光器件。
4.如權(quán)利要求2或3所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述單面雙層復(fù)合感光象素 由通過在一個N硅的基層上先做P參雜(P doping)，然后再在P參雜的層上面，做N參雜后 構(gòu)成的N-P-N復(fù)合結(jié)來形成。
5.如權(quán)利要求2或3所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述單面雙層復(fù)合感光象素 由通過在一個P硅的基層上先做N參雜(N doping)，然后再在N參雜的層上面，做P參雜后 構(gòu)成的P-N-P復(fù)合結(jié)來形成。
6.如權(quán)利要求2所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述基層中的復(fù)合感光象素為 雙面雙層復(fù)合感光象素，從而使所述多光譜感光器件構(gòu)成雙面雙層感光器件。
7.如權(quán)利要求2或6所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述雙面雙層復(fù)合感光象素 由通過在一個N硅的基層的頂面和底面都做P參雜(P doping)而得到的P-N-P復(fù)合結(jié)來 形成。
8.如權(quán)利要求2或6所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述雙面雙層復(fù)合感光象素 由通過在一個P硅的基層的頂面和底面都做N參雜(N doping)而得到的N-P-N復(fù)合結(jié)來 形成。
9.如權(quán)利要求1所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述復(fù)合感光象素中的基本感 光象素包括3個或4個，其中兩個在基層的頂面或底面分兩層布置，剩余的基本感光象素在 基層的底面或頂面分一層或兩層布置，形成為雙面多層復(fù)合感光象素。
10.如權(quán)利要求9所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述基層中的復(fù)合感光象素為 雙面多層復(fù)合感光象素，從而使所述多光譜感光器件構(gòu)成雙面多層感光器件。
11.如權(quán)利要求9或10所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述雙面多層復(fù)合感光象 素由通過在一個硅的N基層的頂面和底面都做P參雜，以及再在P參雜層做N參雜而得到 的 P-N-P，N-P-N-P, P-N-P-N, N-P-N-P-N 的復(fù)合結(jié)來形成。
12.如權(quán)利要求9或10所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述雙面多層復(fù)合感光象 素由通過在一個硅的P基層的頂面和底面都做N參雜，以及再在N參雜層做P參雜得到的 N-P-N, N-P-N-P, P-N-P-N,或 P-N-P-N-P 的復(fù)合結(jié)來形成。
13.如權(quán)利要求1所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述復(fù)合感光象素中的基本感 光象素各自感應(yīng)可見光或可見光及紅外光的兩兩正交的一個譜段，所述復(fù)合感光象素宏單 元的所有復(fù)合感光象素所感應(yīng)的光譜信息結(jié)合起來包含RGB或CMYK彩色重建所必需的光 譜{曰息ο
14.如權(quán)利要求1-13任意一項所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述復(fù)合感光象素中離光源最近的基本感光象素所感應(yīng)的光譜包括空色，藍色，綠色，青色，白色，和白色加 紅外色。
15.如權(quán)利要求1-14任意一項所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述復(fù)合感光象 素中離光源最遠的基本感光象素所感應(yīng)的光譜包括空色，綠色，紅色，黃色，白色，紅色加紅 外色，黃色加紅外色，和白色加紅外色。
16.如權(quán)利要求1至15任意一項所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述復(fù)合感光象 素單元的底層用于感應(yīng)紅外光的基本感光象素的底部表面還生長有對紅外光吸收更好的 硅鍺晶體層或鍺晶體層。
17.如權(quán)利要求1-16所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述用于感應(yīng)紅外光的基 本感光象素的底部，還鍍設(shè)有鏡面反射鍍膜。
18.如權(quán)利要求1-17任意一項所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述復(fù)合感光象 素用主動方式來采樣而形成主動感光象素(Active Pixel)。
19.如權(quán)利要求1-17任意一項所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述復(fù)合感光象 素用被動方式來采樣而形成被動感光象素(Passive Pixel)。
20.如權(quán)利要求1-19任意一項所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述復(fù)合感光象 素中的基本感光象素為感光二極管或感光門。
21.如權(quán)利要求1-20任意一項所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述多光譜感光 器件的感光方式包括正面感光，背面感光，或雙向感光方式，所述雙向感光方式包括分時選 向，分區(qū)選向，或象素選向方式。
22.如權(quán)利要求1-21任意一項所述的多光譜感光器件，其特征在于，所述預(yù)設(shè)圖案包 括復(fù)合象素的重復(fù)排列，方陣排列，或蜂窩圖案排列。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多光譜感光器件，其包括采用單面加工或雙面加工的方式，在硅的P或N基層內(nèi)實現(xiàn)兩個，三個，或四個上下放置的多層復(fù)合感光象素，各自感應(yīng)在可見光或可見及紅外光光譜內(nèi)正交或互補的光譜。復(fù)合感光象素中不同層次上基本感光象素可以設(shè)計成感應(yīng)不同的色彩或光譜，從而通過重復(fù)性地排列由一個以上的復(fù)合感光象素組成的宏單元，而得到一個多光譜感光芯片。本發(fā)明并包括新的多層感光象素的設(shè)計和其用于單面雙層，雙面雙層，雙面三層，雙面四層，單面混合雙層，和雙面混合雙層或多層多光譜感光器件的例子。本發(fā)明的多光譜感光器件具有更加良好的彩色感光性能以及彩色感光與紅外感光的集成以及簡單的加工工藝。
文檔編號H01L21/20GK101807590SQ20091010537
公開日2010年8月18日 申請日期2009年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月16日
發(fā)明者胡笑平 申請人:博立碼杰通訊(深圳)有限公司