使用米氏光电传感器的高信息含量成像制造技术

描述了一种米氏光电传感器。米氏光电传感器被配置为利用米氏散射来实现具有谐振的光电传感器。谐振基于米氏光电传感器的各种物理和材料性质。在一个示例中，米氏光电传感器包括具有一个或多个台面的半导体材料层。半导体材料的每个台面可以包括散射中心。散射中心是通过由折射率不同于半导体材料的材料至少部分地包围台面的半导体材料来形成的。邻接的折射率材料创建界面，该界面形成散射中心，并且在米氏谐振期间使自由载流子的生成局部化。可以制作到台面的一个或多个电接触部，以测量台面的电性质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用米氏光电传感器的高信息含量成像相关申请的交叉引用本申请要求于2018年8月20日提交的美国临时申请号62/720,002的权益，其全部内容通过该引用并入。政府权利说明本专利技术是在美国国家科学基金会授予的联邦奖项标识号1660145下在政府支持下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。
本公开总体上涉及一种光敏器件，并且更具体地涉及一种用于生成图像的光敏器件的阵列。
技术介绍
常规的光电传感器以如下的尺寸尺度操作，其中与入射光相互作用的传感器元件远大于光的波长。例如，常规的光电传感器的尺寸为微米级，以感测可见波长的光。在这些尺寸处，斯涅尔(Snell)折射定律成立，并且光电传感器上的入射光的吸收遵循比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律。在设计光电传感器以使其物理尺寸最小化方面进行了很多尝试，但是所得到的传感器通常具有很多缺点。例如，当使用尺寸减小的光电传感器生成图像时，信噪比、动态范围、景深和焦深全都变差。因此，能够生成高质量图像的具有减小尺寸的光电传感器将是有益的。
技术实现思路
描述了米氏(Mie)光电传感器。相对于本文中描述的常规光电传感器技术，米氏光电传感器利用米氏散射来生成改善的光电流。米氏光电传感器包括诸如半导体或绝缘体的材料的基板(即，材料层)。该材料层具有第一折射率，并且包括半导体材料的台面。台面被配置为响应于电磁扰动(例如，入射光、x射线等)而在半导体材料内生成自由载流子。米氏光电传感器还包括包围材料层的折射介质。折射介质可以具有复折射率。折射介质邻接台面并且形成界面，该界面具有跨该界面的不连续的折射率。附加地，折射介质限定电磁散射中心(例如，台面或台面的某个部分)，该电磁散射中心被配置用于经由在散射中心处的电磁扰动的米氏谐振和光学吸收，来生成自由载流子。在一个示例实施例中，米氏光电传感器的折射轮廓描述如下：材料层具有第一折射率，半导体材料的台面具有第二折射率，并且折射介质具有第三折射率。折射介质的折射率一般是复折射率，并且跨台面与折射材料之间的边界可以是不连续的。在一个示例中，第三折射率小于第一折射率和第二折射率。在另一示例中，第一折射率与第二折射率相同。在一个示例实施例中，半导体层的台面形成具有一组边界的几何形状(例如，矩形棱柱、立方体等)，该组边界邻接折射介质。因此，电磁散射中心形成在该形状的边界处或在该形状的边界内，使得电磁散射中心包括台面的半导体材料的某个部分(或全部)。在一个示例实施例中，材料层包括硅，并且台面包括掺杂的硅。在另一示例实施例中，材料层包括二氧化硅，并且台面包括硅。其他示例实施例也是可能的。散射中心的各种物理特性影响哪些电磁扰动被散射中心的材料吸收并且由此生成自由载流子。例如，台面的尺寸可以影响可以被散射中心吸收的电磁扰动的波长和极化。米氏光电传感器还包括一个或多个电接触部，该一个或多个电接触部耦合到台面，并且被配置为感测响应于电磁扰动而在散射中心内生成的自由载流子。可能有接触部的几种示例配置。在第一示例中，电接触部中的第一接触部与台面形成欧姆接触，并且第二接触部与台面形成肖特基势垒。在第二示例中，第一接触部与台面形成欧姆接触，并且第二接触部与台面形成pn结。在第三示例中，第一接触部和第二接触部与半导体材料的台面形成欧姆接触。在这种情况下，米氏光电传感器包括在折射材料与半导体材料的台面之间的边界处的pn结。米氏光电传感器以谐振方式操作，其中谐振基于本文中描述的因素中的任何因素。例如，电磁散射中心在谐振水平处吸收特定波长的电磁扰动，并且生成与谐振水平相对应的第一数量的自由载流子。附加地，电磁散射中心在非谐振水平处吸收不同波长的电磁扰动，并且生成与非谐振水平相对应的第二数量的自由载流子。在这种情形下，自由电子的第一数量大于自由电子的第二数量。此外，如本文所述，米氏光电传感器被配置为使载流子生成局部化在散射中心中。也就是说，电磁散射中心中的电磁扰动的吸收高于半导体层和折射介质两者中的电磁扰动的吸收。例如，通过电磁散射中心中的电磁扰动的吸收生成的自由载流子的第一数量大于通过半导体层中的电磁扰动生成的载流子的第二数量。附加地，米氏光电传感器可以连接到各种控制电子器件，以创建像素。多个像素可以彼此连接，以形成图像传感器。出于本文中描述的各种原因，包括利用米氏光电传感器创建的像素的图像传感器比其常规对应物更好地操作。附图说明本公开的实施例具有其他优点和特征，当结合附图时，根据以下详细描述和所附权利要求，这些优点和特征将更容易显而易见，在附图中：图1A-1H示出了根据几个示例实施例的一系列谐振图。图2示出了根据一个示例实施例的针对直线米氏光电传感器的吸收功率图。图3A示出了根据一个示例实施例的米氏光电传感器的俯视图。图3B示出了根据一个示例实施例的米氏光电传感器的侧视图。图4示出了根据一个示例实施例的针对米氏光电传感器的电压响应图。图5是根据一个示例实施例的电压多响应图。图6示出了根据一个示例实施例的米氏光电传感器的截面场图600。图7示出了根据一个示例实施例的米氏光电传感器。图8是根据一个示例实施例的米氏光电传感器的截面场图。图9示出了根据一个示例实施例的电压多响应图。图10A-10C示出了根据一些示例实施例的米氏光电传感器的各种配置。图11A-11E示出了根据各种示例实施例的包括一个或多个米氏光电传感器的图像传感器中的像素的几种不同配置。附图仅出于说明的目的描绘了各种实施例。本领域技术人员将从以下讨论中容易地认识到，在不脱离本文中描述的原理的情况下，可以采用本文所示的结构和方法的替代实施例。具体实施方式I.引言光电传感器阵列由如下表面构成，该表面包括多个像素，其中每个像素可以包括光电传感器和信号收集电子器件，信号收集电子器件通常与每个光电传感器近似地位于同一位置。每个像素通过以下方式进行操作：检测特定波长的光子，然后生成与在每个像素处检测到的光子的数目有关的电荷、电压或电阻。然后，该电荷、电压或电阻被测量、数字化、并且用于构造发射或反射光子的物体、场景或现象的图像。光电传感器还可以被部署用于作为单个检测器或作为检测器阵列进行成像。例如，三个主要思想可能会推进未来的光电传感器技术的采用：i)图像质量(例如，分辨率、低光性能、多光谱成像等)，ii)三维像素尺寸，以及3)器件功能(例如，高速视频、图像分析、运动控制、成本、尺寸重量和功率(SWaP)等)。这些方面中的每个方面的创新都包括每个级别的设计决策。例如，示例设计决策可以包括光电感测元件的结构和器件物理性质(即，光子检测)、像素的基本操作(即，信号捕获、存储和传输)、以及成像阵列的设计和操作(即，图像读取和信号处理)。在这些级别中的每个级别，改善性能仍然存在重大挑战。例如，挑战可能包括改善一组器件、器件过程以及由那些器件组成的一个或多个电路之间的性能折衷。此外，随着图像处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种米氏光电传感器，包括：/n材料层，具有第一折射率并且包括半导体材料的台面，所述台面被配置为响应于电磁扰动而在所述半导体材料内生成自由载流子；/n折射介质，包围所述材料层并且具有复折射率，所述折射介质和所述台面形成：(i)界面，所述界面具有跨所述界面的不连续的折射率，以及(ii)电磁散射中心，所述电磁散射中心被配置用于经由在所述散射中心处的所述电磁扰动的米氏谐振和光学吸收来生成自由载流子；以及/n一个或多个电接触部，耦合到所述台面，并且被配置为感测响应于所述电磁扰动而在所述散射中心内生成的自由载流子。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180820 US 62/720,0021.一种米氏光电传感器，包括：
材料层，具有第一折射率并且包括半导体材料的台面，所述台面被配置为响应于电磁扰动而在所述半导体材料内生成自由载流子；
折射介质，包围所述材料层并且具有复折射率，所述折射介质和所述台面形成：(i)界面，所述界面具有跨所述界面的不连续的折射率，以及(ii)电磁散射中心，所述电磁散射中心被配置用于经由在所述散射中心处的所述电磁扰动的米氏谐振和光学吸收来生成自由载流子；以及
一个或多个电接触部，耦合到所述台面，并且被配置为感测响应于所述电磁扰动而在所述散射中心内生成的自由载流子。


2.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中半导体层的所述台面形成具有一组边界的几何形状，并且所述电磁散射中心形成在所述边界处，使得所述电磁散射中心包括所述台面的所述半导体材料。


3.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中半导体材料的所述台面形成具有一组边界的几何形状，并且所述电磁散射中心形成在边界内，使得所述电磁散射中心包括所述台面的所述半导体材料的某个部分。


4.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中半导体材料的所述台面是掺杂的硅。


5.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，半导体的所述台面是掺杂的半导体材料，所述掺杂的半导体材料包括以下中的任一项：砷化镓、磷化镓、氮化镓、碲化镉或硫化镉。


6.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述材料层包括硅。


7.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述材料层包括二氧化硅。


8.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述材料层包括半导体材料。


9.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述材料层包括绝缘材料。


10.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中所述材料层包括以下中的任一项：碳、砷化镓、碲化汞镉、硅化铂、锗或溴化铊。


11.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中半导体材料的所述台面具有50nm和250nm的高度，所述高度是在相对于所述材料层的表面的垂直方向上测量的。


12.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中半导体材料的所述台面在第一方向上具有在10nm至80nm之间的特征尺寸，在第二方向上具有在10nm至80nm之间的特征尺寸，所述第一方向和所述第二方向彼此正交并且平行于所述半导体层的表面。


13.根据权利要求1所述的米氏光电传感器，其中电磁散射中心被配置为吸收特定波长的电磁扰动，并且所述电磁散射中心的尺寸与电磁扰动的所述特定波长成比例。


14.根据权利要求13所述的米氏光电传感器，其中所述散射中心的所述尺寸与电磁扰动的所述特定波长之间的比例基...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·F·布莱德雷，M·纳多内，R·K·卡德尔，
申请(专利权)人：皮克斯莱克斯系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US