CN101000917A - 利用表面等离子体来增加能量吸收效率的半导体传感器 - Google Patents

Abstract

一种半导体传感器(100)，包括：半导体层(102)，其具有在该半导体层(102)一侧的接收入射辐射能(110)的入射表面(104)和在该半导体层(102)的另一侧的波纹表面；以及金属层(106)，其具有波纹表面，该波纹表面与半导体层(102)的波纹表面匹配并且与半导体层(102)的波纹表面接触，以在半导体层(102)和该金属层(106)之间形成波纹界面(108)。该波纹界面(108)与所述半导体层(102)的所述入射表面(104)基本平行，并且提供了能量吸收路径，通过该能量吸收路径入射辐射能(110)被吸收。

Description

利用表面等离子体来增加能量吸收效率的半导体传感器

技术领域

本发明涉及利用表面等离子体来增加能量吸收效率。

背景技术

存在多种多用途半导体传感器。具体而言，硅传感器广泛用于成像技术中，例如，摄像机、数码相机和光导航设备中。

在光学导航设备中使用的硅COMS图像传感器中的硅层一般制造的尽可能薄，以使所使用的硅的量尽可能小，并且获得尽可能致密的器件。红外光趋向在不被吸收的情况下通过这种硅CMOS图像传感器的硅层。因此，硅COMS图像传感器中的硅太薄，以至于不能以期望的能量吸收效率来吸收红外光。

发明内容

本发明涉及利用表面等离子体来增加半导体传感器的能量吸收效率。

附图说明

下面结合附图描述根据本发明的实施例。

图1是根据本发明的能量对波数的图，该图示出了光锥内的光辐射状态或平面波状态与表面等离子体扩散曲线上的表面等离子体状态之间的关系，并且还示出了表面等离子体态到光子态的耦合；

图2是根据本发明具有矩形轮廓的波纹表面的图；

图3是根据本发明在图2中示出的波纹表面的矩形轮廓的傅立叶频谱；

图4是根据本发明的能量对波数的图，该图示出了光锥内的光辐射状态或平面波状态与表面等离子体扩散曲线上的表面等离子体状态之间的关系，并且还示出了一个表面等离子体到三种不同的光子的三种不同的耦合；

图5是根据本发明示出了在波纹金属/硅界面处光子被转换成表面等离子体的硅COMS图像传感器的图；

图6是根据本发明示出了在波纹金属/电介质界面处光子被转换成表面等离子体的硅COMS图像传感器的图；

图7是根据本发明的的硅COMS图像传感器的图，该图像传感器的波纹金属/半导体界面具有波纹轮廓；以及

图8是根据本发明的的硅COMS图像传感器的图，该图像传感器的波纹金属/电介质体界面具有波纹轮廓。

具体实施方式

现在将详细描述根据本发明的实施例，这些实施例的示例是结合附图示出的，在所有的附图中相似的标号指示类似的元件。根据本发明的实施例描述如下。

如果有方法将入射到硅CMOS图像传感器的光线在该光线穿透硅后弯曲90°，则该光线会通过像素宽度，而不是穿过该硅的厚度，像素宽度可能为5到6μm宽，而硅的厚度可能仅1μm或者更薄，从而增大了光通过硅的距离，相对应地增大了光被吸收的概率，产生了更多电子-空穴对。这可以利用表面等离子体来实现。

可以认为表面等离子体是一种衰减非常高的导波，这种波被约束到沿金属/电介质界面，并且是金属的表面电荷和电磁场的组合振荡。表面等离子体不是光辐射状态或平面波，因为它的电场分布随远离金属/电介质界面而成指数衰落。表面等离子体的电场称作瞬失波。

图1示出了在垂直能量轴20上绘制的能量对在水平波数轴22上绘制的波数k_z的图。波数k_z是平行于某界面的波数k沿Z轴的分量。

波数k由下式定义：

$k=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}$ 式1

其中，λ是波长。

波数k_z由下式定义：

$k_z=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·\sin \mathrm{\θ}$ 式2

其中，λ是波长，θ是从表面的法线测量的入射角。

界面是表面等离子体沿其传播的金属/电介质界面，并且该金属/电介质界面与电介质层的光入射表面基本平行，电介质层可以是半导体层，例如，硅层。因此，入射到电介质层的光入射表面上的光子在其到达金属/电介质层之前通过该电介质层。这种光子的波数K_Z，PHOTON由下式定义：

$k_{Z,\mathrm{PHOTON}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·n_d\·\sin \mathrm{\θ}$ 式3

其中，λ是真空中光子的波长，n_d是电介质的折射系数，而θ是从金属/电介质界面的法线测量的入射角。

动量p由下式定义：

式4

其中，

减小的普朗科常数(普朗科常数除以2π)，k是波数。从式4可知，动量与波数直接成比例。因此，随着波数沿图1中的波数轴22增加，动量也增加。

能量与波长成反比。因此，随着能量沿图1中的能量轴20增加，波长减小。

图1中的每个点代表光子态，该状态的属性是其能量(或者波长)和其波数(或者动量)。

光辐射状态或平面波状态，即，光在自由空间中传播或在某些材料中传播，总是必须在图1唆使的光锥24中。光锥24代表所有可能的光辐射状态或平面波状态。光锥24的在能量轴20的右侧的右半部分代表前向传播的光辐射状态或平面波状态，光轴24的在能量轴20的左侧的左半部分代表反向传播的光辐射状态或平面波状态。能量轴20延伸或光锥的中央，其代表垂直于界面传播的光辐射状态或平面波状态。对角线26代表平行于界面正向传播的光辐射状态或平面波状态，并且对角线28代表平行于界面反向传播的光辐射状态或平面波状态。

沿金属/电介质界面前向传播的表面等离子体的所有可能的状态由能量轴20的右侧的表面等离子体扩散曲线30表示，而沿金属/电介质界面反向传播的表面等离子体的所有可能的状态由能量轴20的左侧的表面等离子体扩散曲线30表示。

在图1中，k_Z，SP是表面等离子体的波数。表面等离子体的K_Z，SP与频率f之间的关系是表面等离子体的扩散关系，由下式给出：

$k_{Z,\mathrm{SP}}=\frac{2\mathrm{\πf}}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_d}}$ 式5

其中，c是光速，ε_m是金属的介电常数，而ε_d是电介质的介电常数。但是，对于任何材料，ε都是频率的函数，所以式5比其乍看起来更复杂。通过根据式5将频率f作为k_Z，SP的函数绘制，可以获得类似于图1中的表面等离子体曲线30和32的表面等离子体扩散曲线。图1中的表面等离子体扩散曲线30和32本质上仅是示例性的，并且仅是提供来图示表面等离子体扩散曲线的一般形状。但是，表面等离子体曲线总是在光锥24外面。

频率f和波长λ之间的关系由下式给出：

$f=\frac{c}{\mathrm{\λ}}$ 式6

其中，c是光速。用该关系替换式5中的f，结果得到下面的表面等离子体的波数kZ，SP和表面等离子体的波长λ之间的关系：

$k_{Z,\mathrm{SP}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_d}}$ 式7

在图1中能量轴20的右侧，表面等离子体扩散曲线30上的任何状态的波数K_Z，SP(从而动量)J将总是比在相同能量(或者波长λ)处任何光辐射状态的波数K_Z，PHOTON(从而动量)大，因为表面等离子体扩散曲线30在光锥24的外部。同样的情形也适用于能量轴20的左侧。因此，任何表面等离子体状态都是非辐射状态，并且在正常情形下总是不能与光辐射状态耦合，因为动量不守恒。

然而，通过在金属/电介质界面处引入光栅或者波纹表面，可以克服不能将表面等离子体状态耦合到光辐射状态的缺陷。在使用光栅或者波纹表面时，任何光子态的波数将被改变以下量：

$\±\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}\·m$ 式8

其中，∧式光栅或波纹表面的周期，m是衍射级(diffraction order)，衍射级等于整数1、2、3…，在这里的讨论中假设等于1。

因此，如图1所示，具有波长λ₀的光子的波数k_Z，PHOTON将增大2π/∧，变为与具有相同的波长λ₀的表面等离子体的波数k_Z，SP相等。由于光子和等离子体具有相同的波长，所以它们也具有相同的能量，并且由于它们现在具有相同的波数，所以它们现在也具有相同的动量，由于能量和动量二者都守恒，所以表面等离子体可以耦合到光子。这种耦合由图1中的线34表示。因此，当波长为λ₀的光子入射到金属/电介质界面时，光子可以被转换成波长为λ₀的表面等离子体，该表面等离子体沿金属/电介质界面传播。在这种情形中k_Z，SP和k_Z，PHOTON的关系由下式定义：

$\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_d}}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\·n_d\·\sin \mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}$ 式10

其中，λ₀是图1中示出的波长λ₀。求解式10可以得到将具有波长λ₀和从金属/电介质界面的法线测得的入射角θ的光子耦合到沿该金属/电介质界面传播的具有相同的波长λ₀的表面等离子体所要求的光栅或波纹表面的周期。

从式10可知，波长λ₀或入射角θ的任何改变都将要求∧相对应地改变。式10给定的周期∧是具有正弦轮廓的光栅或波纹表面的周期。这种光栅或波纹表面仅将以单入射角θ(或者以θ为中心的非常窄的入射角范围)入射的单波长λ₀的光线耦合到表面等离子体。但是，在光学导航器件中使用的硅CMOS图像传感器一般将接收在法线±30°内的入射光线。

为了增加可以将光线耦合到表面等离子体的入射角的范围，可以提供具有非正弦轮廓的光栅或波纹表面，同而有效地模糊了正弦轮廓。这种非正弦轮廓将包含一定范围的周期，因为任何非正弦轮廓都可以表示为具有不同周期的正弦轮廓的傅立叶序列。矩形轮廓将具有广泛的周期。

图2示出了具有矩形轮廓的光栅或波纹表面36的示例，其中∧是光栅或波纹表面36的周期，w是光栅或波纹表面26的突起38的宽度，并且∧＝10w。

图3示出图2中的光栅或波纹表面36的矩形轮廓的傅立叶频谱40。水平轴是频率ω，延伸过ω＝0的垂直轴是是傅立叶频谱40的大小F(ω)。垂直条是傅立叶频谱40的傅立叶分量42，并且从ω＝0向两个方向延伸，沿ω轴以2π/∧为间隔等分分布，即，在频率ω＝±2π/∧、±4π/∧、±6π/∧、±8π/∧…处。傅立叶频谱40的第一个零出现在ω＝±2π/∧，或者ω＝±20π/∧附件，因为∧＝10w。

可以认为图3中的傅立叶频谱的傅立叶分量42代表图2中的光栅或波纹表面36的矩形轮廓中包括的周期∧、∧/2、∧/3、∧/4…，从而代表一种表面等离子体与具有相同波长λ和不同入射角θ的多种光子的耦合，或者一种表面等离子体与具有不同波长λ和相同入射角θ的多种光子的耦合。

图4示出了一种表面等离子体到以三种不同入射角θ入射到图2所示的具有矩形轮廓的光栅或波纹表面36上的具有相同波长λ₀的三种不同光子的三种不同耦合44、46和48，其中这三个不同的入射角由对角线50、能量轴20和对角线52表示。

耦合44是在具有波数k_Z，SP的表面等离子体和具有波数k_{Z，PHOTON 1}的光子之间的，其中k_{Z，PHOTON 1}是被增加了2π/∧的，对应于图3所示的具有频率2π/∧的傅立叶分量，该分量表示具有周期∧的正弦轮廓。

耦合46是在具有波数k_Z，SP的表面等离子体和具有波数k_{Z，PHOTON 2}＝0的光子之间的，其中k_{Z，PHOTON 2}＝0是被增加了4π/∧的，对应于图3所示的具有频率4π/∧的傅立叶分量，该分量表示具有周期∧/2的正弦轮廓。

耦合48是在具有波数k_Z，SP的表面等离子体和具有波数k_{Z，PHOTON 3}的光子之间的，其中k_{Z，PHOTON 3}是被增加了6π/∧的，对应于图3所示的具有频率6π/∧的傅立叶分量，该分量表示具有周期∧/3的正弦轮廓。

图5示出了根据本发明的硅CMOS图像传感器100。硅CMOS图像传感器的其他细节是本领域公知的，所以在这里为了简明省略了那些细节。

硅CMOS图像传感器100包括硅层102和金属层106，硅层102在一侧具有入射表面104，在另一侧具有波纹表面，该波纹表面具有周期∧和深度d，并且金属层106具有与硅层102的波纹表面匹配的波纹表面(从而具有周期∧)，该波纹表面与硅层102的波纹表面接触，从而在硅层102和金属层106之间形成具有周期∧的波纹表面108。由于上述原因，波纹表面108优选具有非正弦轮廓。

金属层106可由适于用在硅CMOS图像传感器中的任何金属制成，例如，银、金、铝、镍或者任何其他合适的金属。银对于表面等离子体具有最低的损失，但是比金更活跃，因此金可能是优选使用的，即使对于表面等离子体其具有比银更高的损失。金属层优选具有从100nm到1000nm的厚度，但是可以使用任意厚度，只要所得到的结构能够产生表面等离子体。

入射到入射光表面104上的光子110穿透硅层102，然后在其到达波纹表面108时被转换成表面等离子体112。表面等离子体112沿与光入射表面104基本平行的波纹表面108传播。

光子110可以具有任意波长，但是优选是红外光。红外光的适当的波长有780nm和980nm，尽管可以使用具有任意波长的红外光。

波纹表面108的周期∧是利用上述式10针对光子110的波长λ₀计算出的，并且可以是假设入射角相对于光入射表面104的法线为0°而被计算出的。

波纹表面108的深度d将影响光子110和表面等离子体112之间的耦合效率。如果深度d太浅，则几乎不会发生耦合，因为对于平坦的轮廓更不都不会发生耦合。另外，如果深度d太深，例如，为光子110的波长的数量级，则耦合的效率较低。最优的深度可以通过试验确定，因为其取决于所使用的特定配置。但是，对于红外光最优的深度d可能在50bm到100nm之间。

表面等离子体112产生的具有分量114和分量116的瞬失波，其中分量114从波纹表面108延伸到硅层102中，并且分量106离开波纹表面108延伸到金属层106中。瞬失波具有相对于参考轴118示出的电场分布，其中参考轴118表示零的电场。瞬失波的延伸到硅层102的分量114和瞬失波的延伸到金属层106的分量116分别如120和122所示指数衰落，其中延伸到硅层102中的分量114比延伸到金属层106的分量116衰落的慢的多。

瞬失波的延伸到硅层102中的分量114将产生电子—空穴对，电子—空穴对包括空穴124和电子126。如果发生了这种情况，表面等离子体112就被吸收。产生电子—空穴对的概率取决于表面等离子体112的路径长度，路径长度越长，将产生电子—空穴对的概率越大。本发明通过将通过硅层102的厚度的电子110转换成穿过硅层102的宽度或长度的表面等离子体112，增加了硅层102中的能量吸收路径的长度，从而有效地将硅层102中的能量吸收路径弯曲了90°。

在表面等离子体112被吸收时产生的电子126利用硅CMOS图像传感器100的电荷收集结构被收集起来，为了简明在图4中省略了对该结构。

图5示出了由硅层102和金属层106形成的波纹表面108，其就是金属/半导体界面。但是，严格来说，表面等离子体是与金属/电介质界面相关的一种现象。半导体在电介质(或者绝缘体)和导体之间具有导电小间体。取决于半导体材料和该半导体材料中的任何掺杂杂质，任何特定的半导体可以更类似电介质或者更类似导体。

尽管相信大多数半导体将足以象电介质一样使得能够在金属/半导体界面处产生表面等离子，但是也可能对于有些半导体不是这种情形。因此，为了确保总是产生表面等离子体，可以在半导体层102和金属层106之间提供电介质层128，如图6所示，从而形成波纹金属/电介质界面130。用于电介质层128的合适材料是SiO₂，但是可以使用适于用在硅CMOS图像传感器中的任何电介质材料。电介质层必须足够薄，以使表面等离子体112的瞬失波的分量114可以延伸到硅层102中，从而其可以产生电子—空穴对。

图7示出了对图5中的硅CMOS图像传感器100的修改，其中硅层102和金属层106之间的波纹界面132具有矩形轮廓。

图8示出了对图6中的硅CMOS图像传感器100的修改，其中电介质层128和金属层106之间的波纹界面134具有矩形轮廓。

图3、8和9中示出的矩形轮廓不限于图3、8和9所示的特定配置，并且矩形轮廓的周期、矩形轮廓的突起的高度和宽度，以及矩形轮廓的周期与矩形轮廓的突起的宽度之间的比率都可以按需变化，以获得合适矩形轮廓。

经管上面将根据本发明的实施例描述为适用于接收红外光的硅CMOS图像传感器，但是本发明决不限于此，而是适用于可存在表面等离子体的接收任何波长的辐射能的任意半导体传感器。除了Si之外，可用在本发明中的其他半导体包括Ge、AlSb、GaSb、GaAs、GaP、InSb、InAs、InP、CdS、CdSe、ZnO和ZnS，可以使用任何半导体。

经管上面将根据本发明的实施例描述为适用于这样的硅CMOS图像传感器：硅层太薄以至于不能以期望的能量吸收效率吸收入射红外光，但是本发明决不限于此，而是适用于具有这样的半导体层的任何器件：该半导体层太薄以至于不能以期望的能量吸收效率吸收入射辐射能；并且还适用于具有这样的半导体层的器件：该半导体层吸收入射辐射能，而不考虑该半导体层是否太薄以至于不能以期望的能量吸收效率吸收入射辐射能。

经管上面将根据本发明的实施例描述为适用于包括半导体层和金属层并且辐射能入射到半导体层的器件，但是本发明决不限于此，而是还适用于包括半导体层和金属层并且辐射能入射到金属层的器件，并且金属层优选对入射辐射能基本透明。

尽管已示出并描述了数个根据本发明的实施例，但是本领域技术人员应当意识到，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例作出改变，本发明的范围由权利要求书及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种半导体传感器(100)，包括：

半导体层(102)，其具有在所述半导体层(102)一侧的接收入射辐射能(110)的入射表面(104)和在所述半导体层(102)的另一侧的波纹表面；以及

金属层(106)，其具有波纹表面，该波纹表面与所述半导体层(102)的波纹表面匹配并且与所述半导体层(102)的波纹表面接触，以在所述半导体层(102)和所述金属层(106)之间形成波纹界面(108)，所述波纹界面(108)与所述半导体层(102)的所述入射表面(104)基本平行；

其中，所述半导体层(102)与所述金属层(104)之间的所述波纹界面(108)提供能量吸收路径，通过所述能量吸收路径所述入射辐射能(110)被吸收。

2.如权利要求1所述的半导体传感器(100)，其中，所述入射辐射能(110)包括光子，所述光子穿透所述半导体层(102)并且入射到所述波纹界面(108)，在所述波纹界面中所述光子被转换成表面等离子体(112)，所述表面等离子体沿与所述半导体层(102)的入射表面(104)基本平行的所述波纹界面(108)传输，并且产生延伸到所述半导体层(102)中并且在所述半导体层(102)中产生电子-空穴对(124，126)的的瞬失波。

3.如权利要求2所述的半导体传感器(100)，其中，在所述瞬失波(116)在所述半导体层(102)中产生电子-空穴对(124，126)时，所述表面等离子体(112)被吸收。

4.如权利要求1所述的半导体传感器(100)，其中，所述波纹界面(108)具有非正弦轮廓(132)。

5.如权利要求1所述的半导体传感器(100)，其中，所述波纹界面(108)具有基本为矩形的轮廓(132)。

6.如权利要求1所述的半导体传感器(100)，其中，所述入射辐射能(110)穿透所述半导体层(102)并且入射到所述波纹界面(108)；并且

其中，所述波纹界面(108)具有由下式定义的周期_Λ：

$\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_d}}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\·n_d\·\sin \mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}$

其中，λ₀是所述入射辐射能(110)的波长，ε_m是所述金属层(106)的介电常数，ε_d是所述半导体层的介电常数，n_d是所述半导体层(102)的折射系数，θ是从所述波纹界面(108)的法线测得的所述入射辐射能(110)的入射角。

7.如权利要求1所述的半导体传感器(100)，其中，所述半导体传感器(100)是硅CMOS图像传感器(100)；并且

其中，所述入射辐射能(110)是红外光(110)。

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