一种堆叠式彩色图像传感器及其单片集成方法技术

本发明专利技术涉及一种堆叠式彩色图像传感器及其单片集成方法，所述堆叠式彩色图像传感器包括：衬底和位于衬底上的像素阵列，像素阵列由多层像素结构堆叠而成，相邻像素结构之间设置有透光绝缘层；像素结构包括读出电路阵列、感光层和电极层，感光层位于读出电路阵列和电极层之间；透光绝缘层、读出电路阵列和电极层均采用二维层状材料制成。本发明专利技术能够缩小感光层之间的距离，从而降低堆叠式彩色图像传感器的像素尺寸、提高其分辨率，而且，还可以提升感光层间堆叠界面的质量、降低界面态，从而减少暗电流的产生。

【技术实现步骤摘要】
一种堆叠式彩色图像传感器及其单片集成方法
本专利技术涉及图像传感器领域，尤其涉及一种堆叠式彩色图像传感器及其单片集成方法。
技术介绍
图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中，其中，半导体彩色图像传感器一直朝着高集成度和低成本的方向发展，具有巨大的市场需求。目前应用最广泛的半导体彩色图像传感器包括彩色滤片阵列(CFA-ColorFilterArray)图像传感器、薄膜技术(TFA-ThinfilmonASIC)图像传感器和FoveonX3技术下的无滤片彩色CMOS图像传感器(FCS-FilterlessColorSensor)。彩色滤片阵列图像传感器和薄膜技术图像传感器是将拜尔滤色镜（Bayerfilters）加装在感光单元上。与传统的基于拜尔滤色镜的彩色图像传感器相比，堆叠式彩色图像传感器无需用于分色的棱镜或者滤色镜，且可以在相同像素数量下提供更高的分辨率。高质量的堆叠式彩色图像传感器具有多层传感器，要求每层传感器对RGB光不同波段有较高的吸收选择性，以保证良好的光谱特性。多层传感器中感光层之间的距离影响图像传感器的像素尺寸和分辨率，缩小感光层之间的距离可以降低堆叠式彩色图像传感器的像素尺寸，从而提高其分辨率。而提升感光层间堆叠界面的质量、降低界面态，可以进一步减少堆叠式彩色图像传感器的暗电流。如何缩小感光层之间的距离和提升感光层间堆叠界面的质量，成为本领域的两大技术难题。
技术实现思路
为了解决上述部分或全部技术问题，本专利技术的目的在于：提供一种堆叠式彩色图像传感器及其单片集成方法，能够缩小感光层之间的距离，从而降低堆叠式彩色图像传感器的像素尺寸、提高其分辨率，而且，还可以提升感光层间堆叠界面的质量、降低界面态，从而减少暗电流的产生。为达到上述全部或部分目的，本专利技术提供如下技术方案：一种堆叠式彩色图像传感器，包括：衬底和位于所述衬底上的像素阵列，所述像素阵列由多层像素结构堆叠而成，相邻所述像素结构之间设置有透光绝缘层；所述像素结构包括读出电路阵列、感光层和电极层，所述感光层位于所述读出电路阵列和所述电极层之间；所述透光绝缘层、读出电路阵列和电极层均采用二维层状材料制成。本专利技术采用二维层状材料制成的透光绝缘层、读出电路阵列和电极层作为像素阵列中感光层与感光层之间的堆叠材料。二维层状材料本身具有原子级厚度，获得了超薄属性，因此，可以在很大程度上减小透光绝缘层、读出电路阵列和电极层的厚度，从而缩小像素阵列中感光层与感光层之间的距离，降低堆叠式彩色图像传感器的像素尺寸，提高其分辨率。而且，二维层状材料表面无悬挂键，不存在陷阱态，二维层状材料的堆叠界面不受陷阱态对光电子陷阱的影响。陷阱态容易造成暗电流以及电子不完全转移的问题，因此，使用二维层状材料作为像素阵列中感光层与感光层之间的堆叠材料，可以提升感光层间堆叠界面的质量、降低界面态，从而减少暗电流的产生。而现有技术中通常使用ITO、SU8光刻胶、Si3N4和SiO2等材料作为感光层与感光层之间的堆叠材料，无法缩小感光层之间的距离，也无法改善暗电流的问题。多层所述像素结构中不同层的感光层对不同波段的光具有吸收选择性。通过至少两层像素结构中感光层对不同波段的光的吸收选择，可以提高堆叠式彩色图像传感器的光谱特性。所述像素阵列由第一、第二、第三像素结构堆叠而成。通过三层像素结构中感光层对不同波段的光的吸收选择，可以更好地提高堆叠式彩色图像传感器的光谱特性。第一像素结构的感光层为吸收蓝光波段的蓝色感光层，第二像素结构的感光层为吸收绿光波段的绿色感光层，第三像素结构的感光层为吸收红光波段的红色感光层。三层像素结构的感光层分别对蓝光、绿光和红光波段进行吸收，使用三基色像素结构堆叠成像素阵列，可以提高彩色图像传感器的光显指数，在相同像素数量下提供更高的分辨率，而且还可以保证所形成的堆叠式彩色图像传感器具有优异的光谱特性。所述感光层为有机光电导薄膜。有机光电导薄膜的厚度小，能够进一步降低堆叠式彩色图像传感器的尺寸，使彩色图像传感器的集成度得到提高。所述有机光电导薄膜OPFs具有对RGB颜色敏感的特性，相比于传统的采用厚度为3μm的背照式感光元件BSI作为背照式传感器中的感光层，有机光电导薄膜OPFs有效地将感光层厚度降低到150nm，从而留下了更多的电荷存储空间，所述彩色图像传感器的满井容量得到了有效提升。所述读出电路阵列包括读出晶体管、介电层、钝化层、像素电极、栅电极和信号读出线；所述像素电极连接所述感光层，所述读出晶体管连接所述像素电极，所述信号读出线连接所述读出晶体管；所述栅电极和所述读出晶体管之间通过所述介电层连接；所述钝化层位于所述读出晶体管和所述感光层之间。所述读出电路阵列中的像素电极用于与感光层另一侧的电极层配合，使感光层两侧的电极间产生电流回路，在光照下，探测电流变化来实现光探测。所述读出晶体管用于配合栅电极控制线，进行信号读出的选择。所述信号读出线用于电信号的导出，与后端的电信号处理电路连接。所述栅电极为读出晶体管的栅电极，所述介电层用作读出晶体管的栅介质层。所述钝化层用于隔绝读出晶体管及其电路与感光层，所述读出晶体管被所述介电层和钝化层封装保护。所述读出晶体管为半导体材料层，所述半导体材料层所使用的二维层状材料包括二硫化钼、硒化铟、黑磷、二硒化钨中的其中一种或者多种。使用上述二维层状材料形成的半导体材料层的厚度可以薄至纳米级。所述电极层、像素电极、栅电极和信号读出线所使用的二维层状材料为石墨烯。石墨烯二维层状材料的厚度薄、比表面积大，且石墨烯的物理结构稳定、透光性好、迁移率高，同时具有优异的电学性质，可以用于制备电极层、像素电极、栅电极和信号读出线。石墨烯可以有效透光，从而提升光线利用效率。所述透光绝缘层、介电层和钝化层所使用的二维层状材料为六方氮化硼。六方氮化硼二维层状材料的厚度薄，且具有良好的介电性、绝缘性和导热性，可以用于透光绝缘层、介电层和钝化层的制备。本专利技术还提供一种堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法，包括以下步骤：步骤一：提供一衬底，在所述衬底上制备一层像素结构，作为第一像素结构；步骤二：在所述第一像素结构上转移第一透光绝缘层，在所述第一透光绝缘层上制备一层像素结构，作为第二像素结构；所述第一像素结构和第二像素结构均包含有感光层、读出电路阵列和电极层；所述像素结构堆叠形成像素阵列，得到堆叠式彩色图像传感器。本专利技术提供的堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法为制备至少两层像素结构，即第一像素结构和第二像素结构，并通过第二像素结构和第一像素结构之间设置透光绝缘层来隔绝两层像素结构，特别是用于隔绝相邻两个像素结构中不同的感光层。通过像素结构堆叠形成像素阵列，最终得到堆叠式彩色图像传感器。所述堆叠式彩色图像传感器的单片集成方法还包括：步骤三，在所述第二像素结构上转移第二透光绝缘层，在所述第二透光绝缘层上制备一层像素结构，作为第三像素结构；所述第三像素结构包含有感光层、读出电路阵列和电极层。通过三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，包括：/n衬底和位于所述衬底上的像素阵列，所述像素阵列由多层像素结构堆叠而成，相邻所述像素结构之间设置有透光绝缘层；/n所述像素结构包括读出电路阵列、感光层和电极层，所述感光层位于所述读出电路阵列和所述电极层之间；/n所述透光绝缘层、读出电路阵列和电极层均采用二维层状材料制成。/n

【技术特征摘要】
20201211 CN 20201146052551.一种堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，包括：
衬底和位于所述衬底上的像素阵列，所述像素阵列由多层像素结构堆叠而成，相邻所述像素结构之间设置有透光绝缘层；
所述像素结构包括读出电路阵列、感光层和电极层，所述感光层位于所述读出电路阵列和所述电极层之间；
所述透光绝缘层、读出电路阵列和电极层均采用二维层状材料制成。


2.根据权利要求1所述的堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，多层所述像素结构中不同层的感光层对不同波段的光具有吸收选择性。


3.根据权利要求2所述的堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，所述像素阵列由第一、第二、第三像素结构堆叠而成；第一像素结构的感光层为吸收蓝光波段的蓝色感光层，第二像素结构的感光层为吸收绿光波段的绿色感光层，第三像素结构的感光层为吸收红光波段的红色感光层。


4.根据权利要求1-3任一项所述的堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，所述感光层为有机光电导薄膜。


5.根据权利要求1所述的堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，所述读出电路阵列包括读出晶体管、介电层、钝化层、像素电极、栅电极和信号读出线；所述像素电极连接所述感光层，所述读出晶体管连接所述像素电极，所述信号读出线连接所述读出晶体管；所述栅电极和所述读出晶体管之间通过所述介电层连接；所述钝化层位于所述读出晶体管和所述感光层之间。


6.根据权利要求5所述的堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，所述读出晶体管为半导体材料层，所述半导体材料层所使用的二维层状材料包括二硫化钼、硒化铟、黑磷、二硒化钨中的其中一种或者多种。


7.根据权利要求5所述的堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，所述电极层、像素电极、栅电极和信号读出线所使用的二维层状材料为石墨烯。


8.根据权利要求5所述的堆叠式彩色图像传感器，其特征在于，所述透光绝缘层、介电层和钝化层所使用的二维层状材料为六方氮化硼。

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【专利技术属性】
技术研发人员：袁恺，陈世杰，
申请(专利权)人：联合微电子中心有限责任公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50