集成束缚模式频谱/角度传感器制造技术

一种2D传感器阵列包括半导体衬底和布置在半导体衬底上的多个像素。每一个像素包括耦合区和结区，以及平板波导结构，所述平板波导结构布置在半导体衬底上并且从耦合区延伸到区。平板波导包括布置在第一包覆层与第二包覆层之间的限制层。第一包覆和第二包覆每一个具有比限制层的折射率低的折射率。每一个像素还包括布置在耦合区中和平板波导内的耦合结构。耦合结构包括具有不同折射率的至少两种材料，其布置为由光栅周期限定的光栅。结区包括与电接触件连通的p‑n结以用于偏置和收集由入射辐射的吸收引起的载流子。

Integrated bound mode spectrum / angle sensor

A 2D sensor array includes a semiconductor substrate and a plurality of pixels disposed on the semiconductor substrate. Each pixel includes a coupling region and a junction region, and a planar waveguide structure disposed on the semiconductor substrate and extending from the coupling region to the region. The planar waveguide includes a limiting layer disposed between the first coating layer and the second coating layer. The first cladding and the second cladding each have a refractive index lower than the limiting layer refractive index. Each pixel also includes a coupling structure disposed in the coupling region and in the plate waveguide. The coupling structure includes at least two materials having different refractive indices, arranged as gratings defined by the grating period. Including a junction region connected P n junction with the electrical contact for bias and collected by the incident radiation absorption caused by the carrier.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】集成束缚模式频谱/角度传感器对相关申请的交叉引用本申请要求2014年6月9日提交的美国临时专利申请序列号62/009,832和2015年1月5日提交的美国临时专利申请序列号62/099,981的优先权，其整体内容通过引用并入本文。政府支持陈述本专利技术是在国家科学基金会授予的批准号EEC0812056的政府支持下做出的。政府对本专利技术具有一定权利。
本专利技术一般涉及照明领域，特别是包括传感器的智能照明，并且具体地涉及集成束缚模式频谱/角度传感器的领域。
技术介绍
将室内照明向能量高效的LED系统进行转换为以下提供众多机会：将照明的功能从当今的适度通/断/调光控制增加到利用LED的电子兼容性和灵活性的新的智能照明范式。这种新的照明范式包括用于增强工人/学生生产力的照明、诸如巩固人类睡眠/清醒循环的昼夜周期转换之类的健康效应、用于缓解日益增长的无线瓶颈的可见光通信（VLC）、以及用于提供定制照明的占用/活动感测。将利用以跨可见光的不同颜色处的多个LED实现最高照明效力，从而消除在磷光体颜色转换中固有的能量损耗。VLC将要求具有来自多个灯具的多个LED的多输入多输出（MIMO）架构，以提供必要的聚集Gbps数据速率并且支持当人们与其个人设备一起移动时的移动性。光具对健康和生产力有许多影响；频谱以及强度变化对于优化人类环境是重要的。除了来自LED的改进效力的节约之外，甚至更大的能量节约连同更加舒适的体验，通过将照明适配于人类活动而可得到。当前存在开发牵涉具有横跨400nm至700nm可见光谱的4至10个独立颜色的每一个灯具中的多个LED的智能照明的趋势。在本领域中需要提供将允许宽色域的智能照明，而且要求复杂控制系统以适配于不同照明条件、家具和墙壁、地板、天花板的不同影响和/或不同灯具中的LED的不同老化。虽然当今的彩色相机包括诸如可以集成以供用在智能照明中的光敏像素的组件，但是需要用于智能照明传感器的角度和频谱分辨率要求相当不同于传统相机的角度和频谱分辨率要求，该传统相机要求角度非敏感性并且仅具有带有三个相对宽带且频谱重叠的颜色滤波器（RGB）。最常见地，当今的彩色相机利用直接位于相机的硅光敏像素的顶上的染料吸收剂，其典型地具有~100nm或更大的频谱带宽。针对智能照明组件的开发技术的尝试包括用于应用于数字相机的颜色像素的焦平面颜色滤波器。在红外频谱区中已经广泛研究了半导体检测器的表面等离子体波（SPW）增强。典型地，在IR中，方案是耦合至束缚于金属-半导体界面的SPW。这允许使用更薄吸收区（因而具有更低噪声电流）和更长吸收路径（沿像素而不是跨结深度）。然而，该方案由于硅跨可见光谱的高且强烈变化的吸收而不适合于可见光谱。另一问题是所要求的光栅的小尺度，该尺度为~λ/n，其中n（半导体折射率）对于硅而言跨可见光谱为4至5。此外，SPW方案的限制包括：1）可见光中的相对高金属光学损耗约束可用带宽；频谱宽度典型地为100至200nm，比期望的带宽大一个数量级；并且2）透射低，典型地不大于10%，从而限制测量的灵敏度。虽然已经存在远场滤波（平面波到平面波）的许多示范，但是呈现了耦合到硅材料以用于检测的相对少的示范。在这样少的示范中，线宽已是宽的，典型地为100至200nm。术语“等离子体激元”一般覆盖限定在金属-电介质界面上的扩展（传播）表面等离子体波（SPW）和与金属颗粒、金属膜中的孔、金属盘等相关联的局部表面等离子体共振（SPR）二者。SPW和SPR的角度响应相当不同，其中取决于表面周期性SPW具有窄角度响应，而SPR一般具有角度无关的响应。在任何实际等离子体结构中，这两个共振相互作用，从而给出复杂、波长相关的角度响应。同时，像素一般是小的，由个体像素是亚10微米的高像素计数相机中的趋势所驱动。另外，许多研究已经示范了基于通过金属膜中的孔阵列的非凡光学透射的远场滤波器方案，在该方案中滤波器的远场透射用作频谱选择量。作为实现远场状况所要求的长传播距离的结果，该方案难以以方便的形状因子实现，所述远场状况要求滤波器元件与硅检测器阵列隔开。其它工作集中在与衬底上制作的2D波导的辐射耦合上。例如，由光栅耦合器和透明衬底上的单模平板波导构成的导模共振（GMR）滤波器已经示范了反射和透射中的角度和频谱灵敏度二者。非共振时，GMR滤波器简单地充当电介质，其中通常入射功率的大部分被简单地透射。在共振时，光栅将入射光子中的一些耦合到波导中并且将波导中的传播光子耦合回到经反射和透射的波束中。作为该过程中固有的相移的结果，外耦合的光子巩固经反射的波并且破坏性地干涉经直接透射的光以降低经透射的功率。由于波导无损耗并且光栅是大的（许多波长），因此实现极其狭窄的共振响应。电信波长处的波导集成光学器件已经示范了光栅耦合到波导模式中可以提供必要的频谱和角度滤波，其中最近示范在从2D波导到单模光纤的转换中仅有0.6dB损耗。在本领域中所需要的是一种设备，该设备包括可以利用可缩放、可制造过程（例如不要求用于每一个所期望的波长/角度设置的分离制作步骤）集成到硅表面上的具有颜色和角度灵敏度二者的颜色像素，从而提供制造便利性和减小的形状因子二者。另外，硅吸收跨可见光变化得相当大。在蓝色波长（大约400nm）下，硅的吸收相当强，具有仅~100nm的1/e吸收长度。相比之下，在频谱的红色端（大约700nm），硅1/e吸收长度是~8微米（80倍长）。作为结果，硅光电检测器的响应率同样跨可见光变化。对于蓝色灵敏度，结深度必须相当浅，在短1/e吸收长度内，该长度难以利用传统CMOS制作过程来实现。因此，本专利技术的另一目的是提供一种CMOS兼容的p-n结技术，该技术适应蓝色光子到硅中的短穿透深度。
技术实现思路
本文所描述的一些实施例使用：到金属上传播的束缚模式的光栅耦合，所述金属可以涂敷有二氧化硅的保护层；以及通过金属隧穿到底层硅p-n结（例如所制作的硅晶片）的光子。本文所描述的一些实施例使用到沿硅晶片的表面传播的束缚模式的光栅耦合。这些可以是束缚于金属/电介质界面的表面等离子体波，或者由电介质叠层（典型地为低折射率包覆、高折射率限制层和低折射率包覆）限制的波导模式。在实施例中，存在一种2D传感器阵列。2D传感器阵列包括半导体衬底和布置在半导体衬底上的多个像素。所述多个像素中的每一个包括至少一个耦合区和至少一个结区，以及布置在半导体衬底上并且从所述至少一个耦合区延伸到所述至少一个结区的平板波导结构。平板波导包括布置在第一包覆层与第二包覆层之间的限制层。第一包覆和第二包覆每一个具有比限制层的折射率低的折射率。所述多个像素中的每一个还包括布置在耦合区中和平板波导内的至少一个耦合结构。耦合结构包括具有不同折射率并且布置为由光栅周期限定的光栅的至少两种材料。结区包括与电接触件连通的p-n结以用于偏置和收集由入射辐射的吸收引起的载流子。在另一实施例中，存在一种2D传感器阵列。2D传感器阵列包括多个像素，所述多个像素至少包括第一像素和第二像素。第一和第二像素中的每一个包括平板波导部分、单模波导部分、用于使入射光从平板波导部分成漏斗状到单模波导部分中的绝热锥形部分、以及基本上邻近于单模波导部分形成的多个共振分插滤波器。平板波导包括：布置在第一包覆层与第二包覆层之间的限制层，其中第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种2D传感器阵列，包括：半导体衬底，布置在半导体衬底上的多个像素，其中所述多个像素中的每一个包括：至少一个耦合区和至少一个结区；平板波导结构，布置在半导体衬底上并且从所述至少一个耦合区延伸到所述至少一个结区，并且包括布置在第一包覆层与第二包覆层之间的限制层，其中第一包覆和第二包覆每一个具有比限制层的折射率低的折射率；以及布置在耦合区中和平板波导内的至少一个耦合结构，所述耦合结构包括具有不同折射率并且布置为由光栅周期限定的光栅的至少两种材料，其中结区包括与电接触件连通的p‑n结以用于偏置和收集由入射辐射的吸收引起的载流子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.09 US 62/009832;2015.01.05 US 62/0999811.一种2D传感器阵列，包括：半导体衬底，布置在半导体衬底上的多个像素，其中所述多个像素中的每一个包括：至少一个耦合区和至少一个结区；平板波导结构，布置在半导体衬底上并且从所述至少一个耦合区延伸到所述至少一个结区，并且包括布置在第一包覆层与第二包覆层之间的限制层，其中第一包覆和第二包覆每一个具有比限制层的折射率低的折射率；以及布置在耦合区中和平板波导内的至少一个耦合结构，所述耦合结构包括具有不同折射率并且布置为由光栅周期限定的光栅的至少两种材料，其中结区包括与电接触件连通的p-n结以用于偏置和收集由入射辐射的吸收引起的载流子。2.权利要求1的2D传感器阵列，其中p-n结包括掺杂有第一载流子类型的第一半导体层和掺杂有第二载流子类型的第二半导体层。3.权利要求2的2D传感器阵列，其中衬底包括第一半导体层或第二半导体层。4.权利要求1的2D传感器阵列，还包括与p-n结电连通的电子器件，并且其中p-n结被偏置以收集光生载流子。5.权利要求1的2D传感器阵列，其中平板波导的模折射率在约1.5到约2.2之间。6.权利要求1的2D传感器阵列，其中所述至少一个耦合结构包括：定位在耦合区中的用于将入射光耦合到平板波导中的第一电介质光栅和定位在结区之上的平板波导区中的用于将光从波导耦合到结区中的第二电介质光栅。7.权利要求6的2D传感器阵列，其中第二电介质光栅包括比第一电介质光栅的耦合常数更高的耦合常数，使得第二电介质光栅在比耦合区的空间范围更小的空间范围内将光外耦合到p-n结中。8.权利要求6的2D传感器阵列，其中第一和第二电介质光栅中的每一个包括多个光栅齿部并且第二电介质光栅的齿部比第一电介质光栅的齿部更厚。9.权利要求6的2D传感器阵列，其中所述多个像素中的至少两个具有不同的光栅周期。10.权利要求6的2D传感器阵列，其中第一电介质光栅包括耦合区中的啁啾光栅并且第二光栅包括结区中的固定和啁啾光栅。11.权利要求6的2D传感器阵列，其中第一电介质光栅包括耦合区中的弯曲光栅。12.权利要求6的2D传感器阵列，其中第一电介质光栅包括耦合区中的啁啾和弯曲光栅。13.权利要求6的2D传感器阵列，其中第一电介质光栅包括多个叠加的弯曲光栅，其中所述多个叠加的弯曲光栅中的至少两个具有不同的间距，并且其中第二光栅包括对应于所述多个叠加的弯曲光栅中的每一个的多个光栅。14.权利要求13的2D传感器阵列，其中所述结区包括多个结区。15.权利要求14的2D传感器阵列，其中所述多个结区中的每一个包括相应间距，其中至少一个结区的间距不同于其他结区的间距。16.权利要求6的2D传感器阵列，其中第一电介质光栅包括耦合区域中的交叉光栅，所述交叉光栅包括具有第一间距的第一斜光栅和具有第二间距的第二斜光栅，所述第二斜光栅布置成与第一斜光栅正交，其中至少一个结区包括第一结区和第二结区，并且其中第二电介质光栅包括第一结区中的第一外耦合光栅以接受由第一斜光栅耦合的波导光，以及第二结区中的第二外耦合光栅以接受由第二斜光栅耦合的波导光。17.权利要求6的2D传感器阵列，其中第一电介质光栅包括耦合区中的多个重叠的啁啾和弯曲光栅，其中所述至少一个结区包括多个结区，并且其中第二电介质区包括多个结光栅，每一个结光栅布置在所示多个结区中的相应一个中并且具有角度/频谱响应中的相应一个。18.权利要求1的2D传感器阵列，还包括布置在平板波导上方的金属块以将p-n结屏蔽免受直接光照。19.权利要求18的2D传感器阵列，还包括布置在金属块与平板波导之间的电介质间隔物。20.权利要求18的2D传感器阵列，其中所述至少一个耦合结构包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：SRJ布吕克，A诺伊曼，P扎克什哈，
申请(专利权)人：STCUNM公司，
类型：发明
国别省市：美国,US