具有有機光電二極管的圖像傳感器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了形成具有有機光電二極管的圖像傳感器的實施例。在有機光電二極管中形成溝槽以增大PN結的界面面積，這改進了光電二極管的量子效率(QE)。以液體形式施加有機P型材料以填充溝槽?？梢允褂镁哂胁煌墓岛秃穸鹊腜型材料的混合物以滿足用于光電二極管的期望功函值。
【專利說明】具有有機光電二極管的圖像傳感器及其制造方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請與標題為“具有雙電子阻擋層的有機光電二極管(Organic Photod1dewith Dual Electron-Blocking Layers)(代理卷號 TSMC2013-0287) ” 的美國專利申請第—號以及標題為“具有電子阻檔和空穴傳輸層的有機光敏器件(OrganicPhotosensitive Device with an Electron-Blocking and Hole-Transport Layer)(代理卷號TSMC2013-0288)”的美國專利申請第_號相關。上述申請的全部內(nèi)容結合于此作為參考。本申請和上述申請在同一天提交。

【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及具有有機光電二極管的圖像傳感器及其制造方法。

【背景技術】
[0004]包括前照式(FSI)圖像傳感器芯片和背照式(BSI)圖像傳感器芯片的圖像傳感器芯片廣泛地用于諸如照相機的應用中。在圖像傳感器芯片的形成中，圖像傳感器(諸如光電二極管)和邏輯電路形成在硅襯底(或晶圓)上，然后在晶圓的前側上形成互連結構。在前照式圖像傳感器芯片中，濾色鏡和微透鏡形成于互連結構上方。在BSI圖像傳感器芯片的形成中，在形成互連結構之后，使晶圓變薄，并且在硅襯底的背側上形成諸如濾色鏡和微透鏡的背側結構。當使用圖像傳感器芯片時，光投射到圖像傳感器上，在圖像傳感器中光轉換為電信號。
[0005]圖像傳感器芯片中的圖像傳感器響應于光子的刺激產(chǎn)生電信號。光敏器件的量子效率(QE)度量撞擊器件的光敏表面的產(chǎn)生電荷載流子的光子的百分比。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術中存在的問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種光電二極管，包括:第一電極層；N型層，其中，多個溝槽形成在所述N型層中；有機P型層，位于所述N型層上方，其中，所述有機P型層填充所述N型層中的所述溝槽；以及第二電極層，位于所述有機P型層上方。
[0007]在上述光電二極管中，其中，所述有機P型層是共軛聚合物。
[0008]在上述光電二極管中，其中，所述有機P型層由噻吩基共軛聚合物、苯并二噻吩基共軛聚合物、噻吩[3，4-c]吡咯-4，6- 二酮(TPD)基共軛聚合物、二酮-吡咯-吡咯(DPP)基共軛聚合物、聯(lián)噻唑(BTz)基共軛聚合物、苯并噻二唑(BT)基共軛聚合物、噻吩[3，2-b]噻吩(TT)基共軛聚合物或它們的組合制成。
[0009]在上述光電二極管中，其中，所述有機P型層由聚(3-己基噻吩)(P3HT)制成。
[0010]在上述光電二極管中，其中，所述多個溝槽的每個溝槽均具有矩形截面。
[0011 ] 在上述光電二極管中，其中，所述多個溝槽圍繞所述N型層的島。
[0012]在上述光電二極管中，其中，所述多個溝槽圍繞所述N型層的島，其中，所述N型層的所述島為矩形、圓形或橢圓形。
[0013]在上述光電二極管中，其中，所述多個溝槽形成于所述N型層的頂部中。
[0014]在上述光電二極管中，其中，所述第二電極是透明的。
[0015]在上述光電二極管中，進一步包括:電子傳輸層，位于所述第一電極和所述N型層之間。
[0016]在上述光電二極管中，進一步包括:空穴傳輸層，位于所述P型層和所述第二電極層之間，其中，所述空穴傳輸層是透明的。
[0017]在上述光電二極管中，其中，所述圖像傳感器是前側圖像傳感器。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種光電二極管，包括:第一電極層；N型層，其中，所述N型層共形地位于多個第一溝槽上方；有機P型層，形成于所述N型層上方，其中，所述有機P型層填充所述N型層中的溝槽；以及第二電極層，位于所述有機P型層上方。
[0019]在上述光電二極管中，其中，多個第二溝槽形成于所述第一電極層中，并且其中，所述多個第一溝槽直接形成于所述多個第二溝槽上方。
[0020]在上述光電二極管中，進一步包括:電子傳輸層，位于所述第一電極層和所述N型層之間，并且所述電子傳輸層形成所述多個第一溝槽。
[0021 ] 在上述光電二極管中，進一步包括:空穴傳輸層，位于所述P型層和所述第二電極層之間，其中，所述空穴傳輸層是透明的。
[0022]在上述光電二極管中，其中，所述第二電極層是透明的，其中，所述光電二極管是前側圖像傳感器的一部分。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，還提供了一種前側圖像傳感器，包括:有機光電二極管，在N型層和有機P型層之間的界面處具有溝槽，襯底，具有器件和互連結構，其中，所述有機光電二極管位于所述互連結構上方；濾色鏡層，位于所述有機光電二極管上方；以及微透鏡，位于所述濾色鏡層上方。
[0024]在上述前側圖像傳感器中，其中，所述有機P型層填充所述溝槽以形成PN結界面。
[0025]在上述光電二極管中，其中，所述有機P型層是共軛聚合物。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]為了更全面地理解實施例及其優(yōu)勢，現(xiàn)將結合附圖所進行的以下描述作為參考，其中:
[0027]圖1是根據(jù)一些實施例的圖像傳感器的頂視圖。
[0028]圖2是根據(jù)一些實施例的圖1的圖像傳感器的截面圖。
[0029]圖3是根據(jù)一些實施例的光電二極管的截面圖。
[0030]圖4A是根據(jù)一些實施例的在電極層上方形成的N型層的截面圖。
[0031]圖4B和圖4C是根據(jù)一些實施例的圖4A的圖案化的N型層的頂視圖。
[0032]圖5是根據(jù)一些實施例的光電二極管的截面圖。
[0033]圖6A是根據(jù)一些實施例的具有溝槽的光電二極管的電極層的截面圖。
[0034]圖6B是根據(jù)一些實施例的位于圖6A的電極層上方的N型層和電子傳輸層的截面圖。
[0035]圖6C和圖6D是根據(jù)一些實施例的圖6A的圖案化的電極層的頂視圖。

【具體實施方式】
[0036]應該理解，以下公開內(nèi)容提供了許多用于實現(xiàn)多個實施例的不同特征的不同實施例或?qū)嵗?。下面描述了組件和布置的具體實例以簡化本發(fā)明。當然，這些僅僅是實例，并不旨在限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在多個實例中重復參考標號和/或字符。這種重復是為了簡化和清楚的目的，并且其本身不指示所討論的多個實施例和/或配置之間的關系。而且，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接觸的方式形成的實施例，并且還可以包括在第一部件和第二部件之間可以形成額外的部件，從而使得第一部件和第二部件可以不直接接觸的實施例。
[0037]參考圖1，根據(jù)一些實施例，圖像傳感器50提供了前照式(或前側照明)像素100的網(wǎng)格。至少在本實施例中，像素100是用于記錄二極管上的光的強度或亮度的光敏二極管或光電二極管。在一些實施例中，像素100的最小寬度介于約0.75 μ m至約1.4 μ m的范圍內(nèi)。在一些實施例中，像素100包括重置晶體管、源極跟隨晶體管和轉移晶體管等。在一些實施例中，圖像傳感器50包括電荷耦合器件(CCD)、互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器(CIS)、有源像素傳感器(ACP)或無源像素傳感器。在一些實施例中，由于較低的制造成本，因此使用由有機半導體材料(非硅基材料)制成的有機光檢測器(光的傳感器)。這種有機半導體材料能夠容易地與CMOS工藝技術集成。通常在鄰近像素100的網(wǎng)格處提供額外的器件和電路，用于為像素提供操作環(huán)境并且用于支持與像素的外部通信。在一些實施例中，通過CMOS工藝技術制造額外的器件和電路。因此，使用具有CMOS工藝技術的有機光檢測器的圖像傳感器稱為混合CMOS圖像傳感器。
[0038]如上所述，由于較低的制造成本，因此有機半導體材料是有吸引力的。然而，使用有機半導體材料的現(xiàn)有圖像傳感器具有低的量子效率(QE)或高的暗電流。因此，需要使用有機半導體材料的圖像傳感器具有高的QE和低的暗電流。
[0039]圖2是根據(jù)一些實施例的圖像傳感器50的截面圖。根據(jù)一些實施例，傳感器50包括硅襯底110。在一些實施例中，襯底110包括元素半導體，諸如硅、鍺或金剛石。在一些實施例中，襯底I1包括化合物半導體，諸如碳化硅、砷化鎵、砷化銦或磷化銦。并且，在一些實施例中，提供了半導體布置，諸如絕緣體上硅和/或外延層。在一些實施例中，襯底110包括合金半導體，諸如硅鍺、碳化硅鍺、磷砷化鎵或磷化鎵銦。至少在本實施例中，襯底110包括P型硅。在各個步驟中，能夠使用諸如離子注入或擴散的工藝實現(xiàn)全部摻雜。
[0040]圖像傳感器50包括形成于半導體襯底110的前表面上的多個像素100，諸如100κ、10t^P 100Β。例如，圖2中示出的像素進一步標注了分別與紅、綠和藍的示例光波長對應的100K、100G 和 100Β。
[0041]圖像傳感器50進一步包括互連結構126,互連結構126包括額外的層,諸如第一金屬層120、第二金屬層122、接觸件/通孔119、121、123和層間電介質(zhì)(ILD) 124。在一些實施例中，通過單鑲嵌或雙鑲嵌工藝形成金屬層和接觸件/通孔。如果通過雙鑲嵌工藝形成金屬層和接觸件/通孔，則通過諸如電鍍工藝的沉積工藝形成諸如層122的金屬層和諸如通孔121的相應的通孔。接觸件119連接第一金屬層120與器件結構115。圖2示出了接觸件119連接至器件結構115的源極/漏極區(qū)114。然而，接觸件119也可以連接至柵極結構113。通孔123連接器件結構115的互連件與作為像素100的一部分的像素電極層170。位于不同像素100中的器件結構115由諸如淺溝槽隔離(STI)結構的隔離結構112分隔開。
[0042]ILD124包括多層介電膜,該介電膜包括一種或多種低k材料。低k材料的介電常數(shù)低于二氧化硅的介電常數(shù)。在一些實施例中，ILD124包括碳摻雜的氧化硅、氟摻雜的氧化硅、氧化硅、氮化硅、有機低k材料或它們的組合。在一些實施例中，諸如120和122的金屬層以及接觸件/通孔119、121和123的導電材料包括鋁、鋁合金、銅、銅合金、鎢、鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、金屬硅化物、鎢或它們的組合。
[0043]也存在額外的電路以提供適當?shù)墓δ?，從而處理一類正在使用的像?00以及一類正在感測的光。本領域普通技術人員將理解，所提供的紅色、綠色和藍色的波長僅出于實例的目的，并且像素100包括作為光傳感器的光電二極管135。在一些實施例中,光電二極管135使用有機半導體材料。下面描述了用于形成有機光電二極管135的材料層的細節(jié)。
[0044]在一些實施例中，在像素100之間存在光阻擋結構125。光阻擋結構125阻擋來自相鄰的濾色鏡層160的光的傳輸并且減小像素100之間的串擾(cross-talk)。
[0045]圖像傳感器50設計為在操作期間接收指向半導體襯底110的前表面的光150，消除由其他物體(諸如，柵極部件和金屬線)對光路的阻礙，以及最大程度地使光感測區(qū)暴露于照明光下。照明光150不限于可見光束，并且能夠包括紅外線(IR)、紫外線(UV)或其他合適的輻射光束。
[0046]圖像傳感器50進一步包括位于鈍化層130上方的濾色鏡層160。鈍化層130防止像素100在諸如160K、160e和160b的濾色鏡以及微透鏡140的形成期間受到損壞。在一些實施例中，鈍化層130由介電材料制成，這些介電材料諸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、聚合物(諸如聚酰亞胺、聚苯并惡唑(PBO)或苯并環(huán)丁烯)或它們的組合。濾色鏡層160能夠支持多個不同的濾色鏡(例如，紅色、綠色和藍色)，并且放置濾色鏡層160使得入射光指向并穿過濾色鏡層160。在至少一個實施例中，這種濾色鏡160Κ、160<^Ρ 160Β&括聚合物材料(諸如，基于丙烯酸聚合物的負性光刻膠)或樹脂。在一些實施例中，濾色鏡層160包括包含顏料的基于丙烯酸聚合物的負性光刻膠。在一些實施例中，濾色鏡160K、160e和160B分別對應于像素10kUOOc^P 100b。
[0047]圖像傳感器50包括形成于濾色鏡160K、160e和160B上方的多個微透鏡140。微透鏡140將照明光150聚焦向像素10eUOOg 10bo
[0048]圖3是根據(jù)一些實施例的光電二極管135的截面圖。每個光電二極管135具有兩個電極。如圖2所示，光電二極管135包括像素電極層170，像素電極層170由導電材料制成并且形成于互連結構126上方。像素電極層170形成像素100的光電二極管的陰極。在一些實施例中，電極層170的功函數(shù)小于約4.5eV。在一些實施例中，像素電極層170包括Ag、Al、Ca、Mg或其他適用的導電材料。在一些實施例中，電極層170的厚度介于約50nm至約500nm的范圍內(nèi)?？梢酝ㄟ^選擇材料和通過改變厚度來調(diào)整像素電極層170的功函數(shù)。在一些實施例中，通過物理汽相沉積(PVD)沉積像素電極層170。然而，也可以使用諸如化學汽相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)的其他沉積方法。
[0049]在一些實施例中，在像素電極層170上方形成電子傳輸層171。電子傳輸層171提供幫助電子的傳輸并且阻擋空穴的傳輸?shù)墓瘮?shù)。因此，電子傳輸層171也稱為空穴阻擋層。在一些實施例中，電子傳輸層171的功函數(shù)具有功函值的范圍。最高功函值稱為最高占據(jù)分子軌道(HOMO)，并且最低功函值稱為最低占據(jù)分子軌道(LUMO)。在一些實施例中，電子傳輸層171的LUMO介于約2.8eV至約4.5eV的范圍內(nèi)，并且電子傳輸層171的HOMO介于約6.1eV至約7.8eV的范圍內(nèi)。在一些實施例中，電子傳輸層171由LiF、T12, ZnO、Ta2O5^ZrO2或其他適用的導電材料制成。能夠通過選擇材料以及通過改變厚度來調(diào)整電子傳輸層171的功函數(shù)。在一些實施例中，省略了電子傳輸層171。在一些實施例中，通過物理汽相沉積(PVD)沉積電子傳輸層171。然而，可以使用諸如化學汽相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)的其他沉積方法。
[0050]然后，在電子傳輸層171或電極層170 (如果不存在電子傳輸層171)上方沉積N型層172。N型層172和隨后的P型層(其將在下面進行描述)形成P-N結光電二極管。在一些實施例中，N型層172由諸如ZnO、T12或其他合適的金屬氧化物材料制成。在一些實施例中，N型層172的LUMO介于約3.7eV至約4.5eV的范圍內(nèi)，并且N型層172的HOMO介于約6.7eV至約7.8eV的范圍內(nèi)。
[0051]根據(jù)一些實施例，N型層172的厚度Tt介于約50nm至約300nm的范圍內(nèi)。相似地，可以通過選擇材料以及通過改變厚度來調(diào)整N型層172的功函數(shù)。在一些實施例中，通過物理汽相沉積(PVD)沉積N型層172。然而，也可以使用諸如化學汽相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)的其他沉積方法。
[0052]然后圖案化N型層172以形成溝槽177，從而增大N型層172的表面積，這增大了光電二極管135的P-N結的界面面積。如上所述，光敏器件的量子效率(QE)度量撞擊器件的光敏表面的產(chǎn)生電荷載流子的光子的百分比。具有較大PN結界面面積的光電二極管能夠更有效地將撞擊二極管的光子轉化為電荷載流子。因此，通過包括溝槽177增大了 QE。在一些實施例中，與具有平坦表面的且具有較低的PN結界面面積的光電二極管相比，QE提高了約20%至約200%。
[0053]圖4A是根據(jù)一些實施例的形成于像素電極層170上方的圖案化的N型層172的截面圖。如上所述，在層172中形成溝槽177。在一些實施例中，溝槽177的寬度Wt介于約1nm至約200nm的范圍內(nèi)。在一些實施例中，不同的溝槽177的寬度Wt相等。然而，在一些實施例中，至少一個溝槽177的寬度Wt不同于至少一個其他溝槽177。在一些實施例中，位于兩個相鄰的溝槽177之間的N型層172的寬度Wn介于約1nm至約200nm的范圍內(nèi)。溝槽177的深度Dt介于約1nm至約290nm的范圍內(nèi)。在一些實施例中，不同溝槽177的深度Dt相等。然而，在一些實施例中，至少一個溝槽177的深度Dt不同于至少一個其他溝槽177。在一些實施例中，N型層172的總厚度1\介于約50nm至約300nm的范圍內(nèi)。在一些實施例中，位于溝槽177的底部下面至層170的表面的N型層172的剩余厚度Tk介于約1nm至約290nm的范圍內(nèi)。通過首先以光刻膠層(未示出)圖案化層172的表面，然后使用蝕刻工藝以去除未由光刻膠層覆蓋的N型層172來形成溝槽177。
[0054]圖4B和圖4C是根據(jù)一些實施例的圖4A的圖案化的層172的頂視圖。圖4B包括溝槽177，溝槽177為將長且固體(且連續(xù)的)條狀的N型層172分隔開的長且連續(xù)的溝槽。圖4C包括在X和Y方向上延伸的長且連續(xù)的溝槽177。溝槽177分隔開N型層172的島。圖4B和圖4C是兩個實例。也可以使用N型層172的其他配置和頂視圖。溝槽177的存在增大了 N型層172的表面積以與隨后的P型層形成P-N結。較大的P-N結界面能夠使每像素吸收更多的光，從而產(chǎn)生具有較高強度的電信號。
[0055]在圖案化N型層172之后，在圖案化的N型層172上方沉積有機P型層173。有機P型層173由有機半導體材料制成。在一些實施例中，有機P型層173由共軛聚合物制成。例如，適用的共軛聚合物包括噻吩基共軛聚合物，諸如聚(3-己基噻吩)(P3HT)、苯并二噻吩基共軛聚合物、噻吩[3，4-c]吡咯-4，6-二酮(TPD)基共軛聚合物、二酮-吡咯-吡咯(DPP)基共軛聚合物、聯(lián)噻唑(BTz)基共軛聚合物、苯并噻二唑(BT)基共軛聚合物、噻吩[3，2-b]噻吩(TT)基共軛聚合物或它們的組合。在一些實施例中，通過混合所選擇的共軛聚合物(諸如P3HT)和芳香族溶劑(諸如甲苯和/或1，2- 二氯苯)，然后在升高的溫度下攪拌該混合物來形成有機P型層173。在一些實施例中，升高的溫度為約60°C。然后通過諸如以噴嘴噴涂來將共軛聚合物和溶劑(以液體的形式)的混合物施加至N型層172的表面上。然后通過蒸發(fā)驅(qū)除溶劑。由于有機P型材料(諸如P3HT)和溶劑的混合物為流體的形式，因此當將混合物施加于N型層172的表面上時，混合物填充溝槽177并留下基本上平坦的表面178。
[0056]在一些實施例中，P型層173的LUMO介于約2.8eV至約3.6eV的范圍內(nèi)，并且P型層173的HOMO介于約4.5eV至約5.6eV的范圍內(nèi)。諸如2.8eV和4.0eV的較低的值接近于像素電極層170(陰極)的功函數(shù)。諸如4.5eV和5.6eV的較高的值接近于陽極的功函數(shù)。
[0057]根據(jù)一些實施例，如圖3所示，位于N型層172的頂面上方的有機P型層173的厚度Dp介于約20nm至約300nm的范圍內(nèi)。位于N型層172的底面上方的有機P型層173的厚度Dpt介于約30nm至約500nm的范圍內(nèi)。通過使用不同類型的有機P型材料來調(diào)整P型層的厚度。P型層173和N型層172形成光電二極管的P-N結180，P-N結180為P型材料和N型材料之間的界面。
[0058]再次參考圖3，在一些實施例中，在沉積有機P型層173之后，在有機P型層173上方沉積空穴傳輸(或電子阻擋)層174?？昭▊鬏攲?74具有幫助空穴的傳輸并阻擋電子的傳輸?shù)墓瘮?shù)。此外，空穴傳輸層174是透明的，其允許光(如圖2所示的光150)穿過并到達P-N結180。
[0059]在一些實施例中，空穴傳輸層174由金屬氧化物制成，諸如Mo03、W03、Ni0、Cu0、V205等。可選地，空穴傳輸層174由聚合物制成，諸如聚(3，4-乙撐二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸鹽(PED0T:PSS)的組合。空穴傳輸層174的功函數(shù)介于有機P型層173的功函數(shù)和陽極(將在下文中描述)的功函數(shù)之間。
[0060]在一些實施例中，空穴傳輸層174的LUMO介于約1.5eV至約3.0eV的范圍內(nèi)，并且空穴傳輸層174的HOMO介于約4.8eV至約5.6eV的范圍內(nèi)。例如，PED0T:PSS的功函數(shù)為約5.0eV0如果諸如Mo03、WO3> N1, CuO、V2O5等的金屬氧化物用于空穴傳輸層174，則能夠通過物理汽相沉積(PVD)、化學汽相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)或其他適用工藝沉積空穴傳輸層。在一些實施例中，空穴傳輸層174的厚度介于約Inm至約20nm的范圍內(nèi)。如上所述，可以通過選擇材料以及通過改變厚度來調(diào)整層174的功函數(shù)。
[0061]在沉積空穴傳輸層174之后,在空穴傳輸層174上方沉積透明電極層175。透明電極層175是透明的以允許光150照射穿過，并且透明電極層175是導電的以用作電極。用于透明電極層175的合適材料的實例包括但不限于氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)等。在一些實施例中，通過物理汽相沉積(PVD)沉積透明電極層175。然而，可以使用諸如化學汽相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)的其他沉積工藝或其他適用的工藝。
[0062]在一些實施例中，透明電極層175的厚度介于約50nm至約300nm的范圍內(nèi)。在一些實施例中，透明電極層175的功函數(shù)介于約4.5eV至約5.5eV的范圍內(nèi)?？梢酝ㄟ^選擇材料以及通過改變厚度來調(diào)整層175的功函數(shù)。
[0063]如上所述，在光電二極管135之間存在光阻擋結構125。在沉積透明電極層175之后，實施圖案化工藝以去除光電二極管135之間的諸如層170至175的層。圖案化工藝包括形成具有與光阻擋結構125相互關聯(lián)的開口的光刻膠層(未示出)，以及蝕刻以去除像素100的材料層的位于開口下方的一部分。然后，完成蝕刻，去除剩余的光刻膠層。然后沉積不透明的介電材料以填充開口并且形成光阻擋結構125。
[0064]圖3包括由于N型層172的較大表面積而具有較大P_N結界面180的像素100。存在用于產(chǎn)生P-N結界面的較大面積的其他機制。圖5包括根據(jù)一些實施例的光電二極管135’的截面圖。光電二極管135’與上文描述的光電二極管135類似。然而,如圖5所不，通過在像素電極層170’中形成溝槽來產(chǎn)生光電二極管135’的較大的P-N結界面180’，而對于光電二極管135，是在N型層172中形成溝槽。圖5示出，光電二極管135’包括與圖3的光電二極管135的層170至175類似的多個層170’至175’。然而，通過在像素電極層170’中形成溝槽來產(chǎn)生N型層172’的較大表面。
[0065]像素電極層170’的材料和功能類似于上文所述的像素電極層170的材料和功能。如上所述，像素電極層170’由導電材料制成并且形成于互連結構126上方。像素電極層170’形成像素100的光電二極管的陰極。在一些實施例中，電極層170’的總厚度Te介于約10nm至約500nm的范圍內(nèi)。在圖5所示的實施例中的層170’的厚度大于圖4A至圖4C所示的實施例中的層170的厚度。上文已經(jīng)描述了適用于層170’的材料。如圖6A所示，圖案化層170’以形成溝槽177’。在一些實施例中，溝槽177’的寬度W/介于約50nm至約Iym的范圍內(nèi)。在一些實施例中，溝槽177’的寬度W/相等。然而，在一些實施例中，溝槽177’的寬度W/在不同的溝槽177’之間是不同的。溝槽177’的深度D/介于約50nm至約450nm的范圍內(nèi)。在一些實施例中，溝槽177’的深度D/相等。然而，在一些實施例中，溝槽177’的深度D/在不同的溝槽177’之間是不同的。
[0066]在一些實施例中，位于兩個相鄰溝槽177’之間的像素電極層170’的寬度We介于約20nm至約Ιμπι的范圍內(nèi)。在一些實施例中，在電極層170’中形成溝槽177’之后，在層170’上方形成電子傳輸層171’。電阻傳輸層171’在功能和材料方面類似于上文所述的層
171。在一些實施例中，電子傳輸層171’的厚度介于約0.1nm至約20nm的范圍內(nèi)。
[0067]根據(jù)一些實施例，如圖6B所示，電子傳輸層171’覆蓋像素電極層170’的表面(包括溝槽177’的表面)。在一些實施例中，可以通過物理汽相沉積(PVD)、化學汽相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)或其他合適的方法沉積電子傳輸層171’。形成共形層的沉積方法將是期望的。在一些實施例中，省略了電子傳輸層171’。
[0068]然后，在電子傳輸層171’或像素電極層170’(如果不存在電子傳輸層171’ )上方沉積N型層172’。N型層172’類似于上文描述的N型層172。N型層172’和隨后沉積的P型層形成P-N結光電二極管。根據(jù)一些實施例，N型層172’的厚度介于約1nm至約10nm的范圍內(nèi)。
[0069]根據(jù)一些實施例，如圖6B所示，N型層172’覆蓋電子傳輸層171’的表面。通過物理汽相沉積(PVD)、化學汽相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)或其他合適的方法沉積N型層172’。形成共形層的沉積方法將是期望的。由于在像素電極層170’中形成了溝槽177’，因此，N型層172’的表面積遠大于具有平坦層且不形成溝槽177’的光電二極管結構。
[0070]在沉積N型層172’之后，在圖案化的N型層172’上方沉積有機P型層173’。有機P型層173’類似于上文描述的有機P型層173。根據(jù)一些實施例，如圖6A所示。P型層173’填充N型層172’之間的溝槽并且留下基本上平坦的表面178’。
[0071]位于N型層172’的頂面上方的有機P型層173’的厚度D/介于約20nm至約300nm的范圍內(nèi)。位于N型層172’的底面上方的有機P型層173’的厚度Dp/介于約30nm至約500nm的范圍內(nèi)。通過使用不同類型的有機P型材料來調(diào)整P型層的厚度。P型層173’和N型層172’形成光電二極管的P-N結180’，P-N結180’為P型材料和N型材料之間的界面。
[0072]在形成有機P型層173’之后，在有機P型層173’上方沉積空穴傳輸(或電子阻擋)層174’?？昭▊鬏攲?74’類似于上文描述的空穴傳輸層174。然后在空穴傳輸層174’上方沉積透明電極層175’。透明電極層175’類似于上文描述的透明電極層175。
[0073]圖6C和圖6D是根據(jù)一些實施例的圖6A的圖案化的像素電極層170’的頂視圖。圖6C包括溝槽177’，其為將長且固體(且連續(xù))條狀的層170’分隔開的長且連續(xù)的溝槽。圖6D包括在X和Y方向上延伸的長且連續(xù)的溝槽177’。溝槽177’分隔開像素電極層170’的島。圖6C和圖6D是兩個實例。也可以使用像素電極層170’的其他配置和頂視圖。例如，在圖6D中，層170’(島)的頂部的頂視圖示出了矩形形狀的層170’。然而，圖6D的像素電極層170’可以是不同的形狀，諸如，圓形、橢圓形或其他適用的形狀。相似地，圖6C的像素電極層170’的頂部的頂視圖可以是不同的形狀。像素電極層170’的島不需是矩形的棒。像素層170’的頂部的頂視圖可以是彎曲的棒或其他形狀。也可以對圖4B和圖4C的N型層172做出相似的配置描述。
[0074]溝槽177’的存在增大了 N型層172’的表面積以與P形層173’形成PN結。與光電二極管135相似,相對于平坦的光電二極管,光電二極管135’也具有改進的QE。在一些實施例中，與沒有溝槽(或具有平坦表面)的且具有較低的PN結界面面積的光電二極管相t匕，QE改進了約20%至約200%。
[0075]除了如上所述的在N型層172和像素電極層170’中形成溝槽外，也可以在電子傳輸層171中形成溝槽。涉及形成光電二極管的剩余的工藝與對于光電二極管135和135’描述的那些工藝相似。
[0076]在上文描述的實施例中,有機光電二極管135、135’用于圖像傳感器。然而，有機光電二極管也可以用于包括光電檢測器的其他應用。
[0077]提供了形成具有有機光電二極管的圖像傳感器的實施例。在有機光電二極管中形成溝槽以增大PN結界面面積，這改進了光電二極管的量子效率(QE)。以液體的形式施加有機P型材料以填充溝槽。具有不同的功函值和厚度的P型材料的混合物能夠用于滿足用于光電二極管的期望的功函值。
[0078]根據(jù)一些實施例，提供了光電二極管。該光電二極管包括第一電極層和N型層。多個溝槽形成于N型層中。光電二極管也包括形成于N型層上方的有機P型層，并且有機P型層填充N型層中的溝槽。光電二極管進一步包括第二電極層。
[0079]根據(jù)一些其他實施例,提供了光電二極管。光電二極管包括第一電極層和N型層。N型層形成于多個第一溝槽上方。光電二極管也包括在N型層上方形成的有機P型層，并且有機P型層填充N型層中的溝槽。光電二極管進一步包括第二電極層。
[0080]根據(jù)又一些其他實施例，提供了前側圖像傳感器。前側圖像傳感器包括在N型層和有機P型層之間的界面處具有溝槽的有機光電二極管。前側圖像傳感器也包括具有器件和互連結構的襯底、濾色鏡層和微透鏡。
[0081]盡管已經(jīng)詳細地描述了實施例及其優(yōu)勢，但應該理解，可以在不背離由所附權利要求限定的實施例的精神和范圍的情況下，在此做出各種改變，替換和更改。而且，本申請的范圍并不旨在限于說明書中描述的工藝、機器、制造、材料組分、手段、方法和步驟的特定實施例。作為本領域普通技術人員將容易地從本發(fā)明理解，根據(jù)本發(fā)明，可以利用現(xiàn)有的或今后開發(fā)的用于執(zhí)行與在此所述相應實施例基本相同的功能或獲得基本相同結果的工藝、機器、制造、材料組分、手段、方法或步驟。因此，所附權利要求旨在將這樣的工藝、機器、制造、材料組分、手段、方法或步驟包括在它們的范圍內(nèi)。此外，每個權利要求構成一個單獨的實施例，并且不同權利要求及實施例的組合均在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種光電二極管，包括: 第一電極層； ^型層，其中，多個溝槽形成在所述~型層中； 有機？型層，位于所述~型層上方，其中，所述有機？型層填充所述~型層中的所述溝槽；以及 第二電極層，位于所述有機？型層上方。
2.根據(jù)權利要求1所述的光電二極管，其中，所述有機？型層是共軛聚合物。
3.根據(jù)權利要求1所述的光電二極管，其中，所述有機？型層由噻吩基共軛聚合物、苯并二噻吩基共軛聚合物、噻吩[3,4-(:]吡咯-4, 6-二酮(11?)基共軛聚合物、二酮-吡咯-吡咯①--)基共軛聚合物、聯(lián)噻唑(8?)基共軛聚合物、苯并噻二唑(81)基共軛聚合物、噻吩[3,2-4噻吩01”基共軛聚合物或它們的組合制成。
4.根據(jù)權利要求1所述的光電二極管，其中，所述有機？型層由聚(3-己基噻吩)咖丁)制成。
5.根據(jù)權利要求1所述的光電二極管，其中，所述多個溝槽的每個溝槽均具有矩形截面。
6.根據(jù)權利要求1所述的光電二極管，其中，所述多個溝槽圍繞所述~型層的島。
7.根據(jù)權利要求6所述的光電二極管，其中，所述~型層的所述島為矩形、圓形或橢圓形。
8.根據(jù)權利要求1所述的光電二極管，其中，所述多個溝槽形成于所述~型層的頂部中。
9.一種光電二極管，包括: 第一電極層； ^型層，其中，所述~型層共形地位于多個第一溝槽上方； 有機？型層，形成于所述~型層上方，其中，所述有機？型層填充所述~型層中的溝槽；以及 第二電極層，位于所述有機？型層上方。
10.一種前側圖像傳感器，包括: 有機光電二極管，在~型層和有機？型層之間的界面處具有溝槽， 襯底，具有器件和互連結構，其中，所述有機光電二極管位于所述互連結構上方； 濾色鏡層，位于所述有機光電二極管上方；以及 微透鏡，位于所述濾色鏡層上方。
【文檔編號】H01L51/42GK104425719SQ201410336489
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權日:2013年8月28日
【發(fā)明者】梁晉瑋, 林杏蓮, 蔡正原, 蔡嘉雄 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司