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CN107403816B - 多光谱摄像装置及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多光谱摄像装置及其制作方法，多光谱摄像装置沿着入射光线的方向依次包括：彩色滤光片层，包括多个彩色滤光片，用于选择性地通过特定光谱范围的光线；第一透明电极层；第一光电变换层，用于光电地转换可见光为电信号；第一连续表面，其段差小于5nm，由收集可见光电信号并供近红外光透过的像素电极阵列以及像素电极之间的第一绝缘膜形成，第一光电变换层处于彩色滤光片层和第一连续表面之间，且连续不间断地覆盖在第一连续表面上；第二变电变换层，用于光电地转换近红外光为电信号；分别处理来自第一光电变换层和第二光电变换层的电信号的电路器件。本发明提供的多光谱摄像装置及其制作方法实现了高解像度的多光谱摄像。

Description

多光谱摄像装置及其制作方法
技术领域
本发明涉及医疗辅助设备领域，尤其涉及一种多光谱摄像装置及其制作方法。
背景技术
红外摄像器件广泛应用于医疗图像诊断和穿刺辅助设备，夜间监控摄像，夜间行车摄像，生物特征识别，机器人视觉，食品质量和工业品表面质量的检测等领域。在移动信息终端的时代应用于手机摄像等则会促使更多多姿多彩的应用开发出来。人眼敏感的波长范围是从400nm到760nm的所谓可见光的光谱范围，然而使用不同光敏感材料的摄像器件和系统，其光电响应可以从X射线波段拓展到远红外波段，然后将不可见的电子图像信息用可见光的形式显示出来，就可以让人眼“直接”看到。如上所述，鉴于人眼与生俱来只能看见和识别可见光图像，实时实地将原来不可见的电磁辐射图像和可见光图像相互比较，才能对外界物体的认识具体化，才能与人脑以往的对于可见光图像的记忆相互关联，才能对同一物体的各种光谱特性做一个综合的判断和信息处理。
为此目的人们开发了使用可见光和红外光的双摄像头的多光谱摄像系统，然而有体积庞大带来的不便于携带和高成本问题，和不同光轴系统带来的图像对位和处理上的麻烦。为了避免这种问题，人们也开发了使用一个既对可见光敏感，又对红外光敏感的摄像器件，比如制作在硅片上的CCD或者CMOS摄像器件，分不同的时间段来采集和处理可见光和红外光波段的图像。然而这种无论是使用机械式斩波器或者电子快门，不仅带来了系统构造和驱动的复杂性，而且无法从实时上获得精确的不同光谱的图像。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供多光谱摄像装置及其制作方法，实现了高解像度的多光谱摄像。
根据本发明的一个方面，提供一种多光谱摄像装置，沿着入射光线的方向依次包括：彩色滤光片层，包括多个彩色滤光片的阵列，用于选择性地通过特定光谱范围的光线；第一透明电极层，供可见光和近红外光透过；第一光电变换层，用于光电地转换可见光为电信号；第一连续表面，所述第一连续表面由收集可见光的电信号并供近红外光透过的第二透明电极层的多个像素电极组成的像素电极阵列以及位于像素电极之间的第一绝缘膜形成，所述第一光电变换层处于第一透明电极和第一连续表面之间，且所述第一光电变换层连续不间断地覆盖在所述第一连续表面上；第二光电变换层，用于光电地转换近红外光为电信号；以及分别处理来自所述第一光电变换层和第二光电变换层的电信号的电路器件。
可选地，所述第二透明电极层和第一绝缘膜所组成的第一连续表面至少经由化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing or CMP)工艺使得第一连续表面的段差小于5nm，以及超过摄氏300度的热处理工艺，以便消除机械研磨工艺造成的表面应力和对第二透明电极的材料做结构处理。
可选地，所述第二透明电极层和所述第二光电变换层之间还包括层间透明导电薄膜以对第一光电变换层和第二光电变换层做静电隔离，所述层间透明导电薄膜的近红外光透过率大于60％。
可选地，沿着光线入射的方向，所述可见光电变换层依次包括：第一电子阻挡层；第一电场缓冲层，由微量掺杂的P型氢化非晶硅层形成；光电变换层，由微量P型掺杂的氢化非晶硅层形成；第二电场缓冲层，由微量掺杂的N型氢化非晶硅层形成；以及第二空穴阻挡层。
可选地，沿着光线入射的方向，所述可见光电变换层依次包括：第一空穴阻挡层；第一电场缓冲层，由微量掺杂的N型氢化非晶硅层形成；光电变换层，由微量P型掺杂的氢化非晶硅层形成；第二电场缓冲层，由微量掺杂的P型氢化非晶硅层形成；以及第二电子阻挡层。
可选地，第一电子阻挡层和第二电子阻挡层包括p+型掺杂的a-SiH或者a-SiC薄膜、NiO薄膜或者Sb2S3薄膜，第一电子阻挡层和第二电子阻挡层厚度为20nm到100nm之间。
可选地，所述第一空穴阻挡层和第二空穴阻挡层包括n+型掺杂的a-SiH或者a-SiC薄膜，第一空穴阻挡层和第二空穴阻挡层厚度为20nm到100nm之间。
可选地，第一空穴阻挡层和第二空穴阻挡层包括非掺杂的a-SiN薄膜或者a-SiO2薄膜，所述第一空穴阻挡层和第二空穴阻挡层的厚度为5nm到50nm之间。
可选地，第一空穴阻挡层和第二空穴阻挡层包括稀土金属的氧化物层，所述第一空穴阻挡层和第二空穴阻挡层的厚度为5nm到50nm之间。
可选地，第一空穴阻挡层和第二空穴阻挡层包括含有In、Ga、Zn金属的氧化物，第一空穴阻挡层和第二空穴阻挡层的厚度为20nm到200nm之间。
可选地，第一光电变换层两侧的第一透明电极层和第二透明电极层，其中之一作为被施加较低电位的阴极，其中另一作为被施加较高电位的阳极，阴极的功函数大于阳极的功函数。
可选地，所述阴极或阳极包含In和Tin的金属氧化物，比如ITO，其中阴极的含氧量超过阳极的含氧量。
可选地，所述像素电极阵列中，相邻的像素电极的间距小于10um，且大于等于0.5um。
根据本发明的又一方面，还提供一种多光谱摄像装置的制作方法，包括：提供一硅基板；在所述硅基板上形成处理光生电荷信号的电路器件；在所述硅基板上形成第二光电变换层，所述第二光电变换层用于光电地转换近红外光为电信号；在所述第二光电变换层之上隔着绝缘膜层，采用PVD工艺将透明导电膜材料溅射到所述绝缘膜层上以成膜第二透明电极层并刻蚀第二透明电极层以形成像素电极阵列；透明导电膜材料的材料成分包括ITO或者SnO2，其材料的结构保持在非晶状态，以便在后期的研磨工序中有较低的硬度和表面细腻光滑程度；采用涂布或CVD工艺成膜第一绝缘膜，其平均高度大于像素电极的高度并将像素电极阵列完全覆盖；利用CMP工艺研磨所述像素电极阵列及所述第一绝缘膜，直至暴露所述像素电极阵列的各个像素电极；由此像素电极和第一绝缘膜形成了段差小于5nm的所述第一连续表面。在研磨工艺后进行超过摄氏300度的退火处理，以便消除机械研磨造成的表面应力和损伤，以及对非晶状态的ITO电极材料做处理以便提高其透光性和调整其表面功函数。可以通过有氧气的反应室内的等离子处理或者其他方式进行这种表面处理。
在形成的连续平滑的第一连续表面上，连续成膜第一光电变换膜和第一透明电极层，中间不需要做任何光刻工艺，不仅简化了工艺制程，而且避免了对光电变换膜层的各种化学污染和物理损伤。
有鉴于此，本发明将包括电子和空穴注入阻挡层，电场缓冲层和光电变换层的多层薄膜淀积在段差小于5nm的几乎等于镜面的第一连续表面上后，分离的各个像素电极的边缘和拐角的边缘电场的强度就被大大减弱，从而降低了可见光电变换层在像素电极边缘处的局部漏电流。此外，本发明还通过可见光电变换层中电子/空穴阻挡层和靠近电子/空穴阻挡层附近的电场缓冲区的的设置，降低了从阳极/阴极注入的暗电流，提高了信号的均匀性和信噪比。
电子或空穴阻挡层具有对电子或空穴的不对称的势垒高度，从而形成对于电子或者空穴的单方面的通过选择性。氧化物或氮化物的绝缘薄膜的电子或空穴阻挡层的I-V特性类似于MIS隧道二极管，载流子越过势垒高度的概率强烈依赖于势垒高度和厚度以及势垒两端的电场强度。当势垒厚度增加一倍时，电流可能下降三个数量级甚至更多。这种强烈的非线性使得第一像素电极之间的横向导电基本被抑制住了。而较强的电场和较薄的绝缘膜阻挡层则可以让单一的载流子单方向通过。
由于成膜在第一连续表面上的电子或空穴阻挡层的这种各向异性导电特性，相邻像素电极之间的横向泄露电流被抑制，从而光电变换膜不需要按照各个像素电极的大小进行分割岛屿化。不仅简化了器件结构和制造工艺，而且提高了光电变换膜的有效利用率，去除了岛屿化后的边墙漏电流，基本消除了大角度入射光线导致的混色和光电串扰，消除了为了防止混色和串扰而使用过量遮光膜导致的光线利用率低的问题。通过上述方式，像素间距可以缩小到甚至0.5um～10um的距离，而基本不牺牲第一光电变换膜层的有效开口率，实现了高解像度和高感度并存的多光谱摄像装置。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出一种多光谱摄像装置的截面图；
图2示出本发明实施例的多光谱摄像装置的截面图；
图3至图10示出本发明实施例的多光谱摄像装置的制作过程；
图11和图12分别示出两种可见光电变换层的能带图；
图13示出层厚为80nm的ITO薄膜的性能。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。
首先参见图1，图1示出发明人发明的一种多光谱摄像装置的截面图。该多光谱摄像装置的可见光电变换层(a-SiH薄膜132)为岛状结构，一部分大角度斜向入射的光线可能穿过彩色滤光片141和上部透明电极达到下部的硅晶片的基板内，造成光致漏电流。为了防止这个泄露光线，黑矩阵142必须足够宽并遮盖部分a-SiH光电二极管132的受光面积。如图所示，在一个像素的宽度，只有开口(设置彩色滤光片141的部分)才是能够用来探测光线的有效窗口，其它面积上的光电信号就浪费掉了。由于岛状的a-SiH光电二极管132，沿着边墙的暗电流A1很可能成为暗电流和暗电路噪声的主要部分。另外，a-SiH光电二极管132内具有一定阻抗和寄生电容的p+掺杂层内和n+掺杂层内的空穴和电子的横向传输电流A2和A3，则是导致a-SiH光电二极管132的信号延迟的重要根源。如果不对各个像素的a-SiH光电二极管132做绝缘隔离，在下层的重掺杂层中，如n+掺杂层中，就会产生相邻像素之间的横向电荷流动，从而就模糊了图像细节的轮廓，或者说降低了器件对图像细节的分辨能力，也就是降低了摄像器件的有效解析度。
为了解决上述的缺陷，本发明提供一种多光谱摄像装置，沿着入射光线的方向依次包括：彩色滤光片层，包括多个彩色滤光片的阵列，用于选择性地通过特定光谱范围的光线；第一透明电极层，供可见光及近红外光透过；第一光电变换层，用于光电地转换可见光为电信号；第一连续表面，其段差小于5nm，所述第一连续表面由收集可见光的电信号并可供近红外光透过的像素电极阵列(由第二透明导电层的多个像素电极组成)以及位于像素电极之间的第一绝缘膜形成，所述第一光电变换层处于第一透明电极层和第一连续表面之间，且所述第一光电变换层连续不间断地覆盖在所述第一连续表面上；第二光电变换层，位于第二透明导电层的下方，用于光电地转换近红外光为电信号；以及分别处理来自所述第一光电变换层和第二光电变换层的电信号的电路器件。
下面结合各个附图说明本发明提供的各个实施例。
参见图2，图2示出本发明实施例的多光谱摄像装置的截面图。图2所示的多光谱摄像装置在沿着入射光线(例如光线241、光线242)的方向依次包括彩色滤光片层、第一透明电极层229、可见光电变换层(即第一光电变换层)红外光电变换层(即第二光电变换层)211及电路器件。在本实施例中，彩色滤光片层和可见光电变换层都形成在硅基板210之上，红外光电变换层211形成在硅基板210内。
彩色滤光片层包括黑矩阵231及设置在黑矩阵231开口的多个彩色滤光片232形成的阵列。彩色滤光片232用于选择性地通过特定光谱范围的光线。在本实施例中，彩色滤光片232可以包括红色滤光片、蓝色滤光片及绿色滤光片用以分别透过红色、蓝色及绿色的光线。除了这些可见光线以外，无论透过何种光谱范围的可见光线，彩色滤光片232还可透过50％以上的近红外光。红外光电变换层211用于光电地转换近红外光为电信号。红外光电变换层211可以是形成于硅基板210中的空穴耗尽层或电子耗尽层。红外光电变换层211的红外光电变换区域的全部或者绝大部分面积被对应的彩色滤光片332所覆盖。
可见光电变换层在本实施例中可包括第一掺杂层226、光电变换层227(例如a-SiH薄膜)及第二掺杂层228。第一掺杂层226及第二掺杂层228可作为空穴/电子阻挡层。可见光电变换层用于光电地转换可见光。在本实施例中，可见光电变换层的近红外光透过率大于50％。可见光电变换层(226～228)在多光谱摄像装置的平面(即硅基板210的平面)上的投影覆盖彩色滤光片232及彩色滤光片232之间的位置。换言之，可见光电变换层(226～228)在硅基板210的平面上为连续不间断的膜层。这样，由于可见光电变换层(226～228)为连续不间断的膜层，进而不会有大角度入射的可见光241通过可见光电变换层的间隙进而到达硅基板210，通过这样的设置，能够减少可见光电信号的浪费，减少可见光图像对红外光线图像的干扰并提高多光谱摄像装置的解像度。
具体而言，如图2所示，红外光电变换层211和可见光电变换层之间还包括第二透明电极层。第二透明电极层的多个像素电极224形成像素电极阵列。像素电极224之间还包括第一绝缘膜225。像素电极阵列的多个224像素电极及第一绝缘膜225背向红外光电变换层211的一侧形成第一连续表面292。第一连续表面292的段差小于5nm。可见光电变换层于该第一连续表面292上形成连续不间断的膜层。该第一连续表面292可通过CMP工艺研磨像素电极阵列及第一绝缘膜形成。将可见光电变换层(226～228)淀积在段差小于5nm的几乎等于镜面的表面上后，电极边缘和拐角的边缘电场的强度就被大大减弱，从而降低了a-SiH薄膜227局部的漏电流。这种局部漏电流通常是由于两个因素造成的：电极的尖端效应造成的局部高电场；相对平坦地区，覆盖电极边缘或者段差边缘的薄膜的厚度较小。在本发明中，通过显著减小的段差或没有段差来避免局部漏电流的情况。在本实施例中，第二透明电极层和红外光电变换层211之间还包括层间透明导电薄膜221。层间透明导电薄膜221可以是透明导电氧化物透明导电膜，用于层间静电隔离。该层间透明导电薄膜221连接到内部或外部的控制电压，从而与上部的可见光电变换层(226～228)之间形成电容和/或与红外光电变换层211之间形成电容。层间透明导电薄膜221覆盖了像素电极的绝对部分面积，以及覆盖了红外光电变换层211的红外光电变换区域的绝大部分面积。
在本发明的一个变化例中，可见光电变换层包括10-5～10-4量级的微量掺杂的P型氢化非晶硅层作为第一电场缓冲层(如图11中标号53)、10-5量级的极小微量掺杂的P型氢化非晶硅层作为光电变换层(如图11中标号54)、10-5～10-4量级的微量掺杂的N型氢化非晶硅层作为第二电场缓冲层(如图11中标号55)。具体而言，在靠近第二透明电极层的像素电极(如图11中标号51)的a-SiH薄膜成膜过程中在PECVD反应室内导入微量B2H6气体，对a-SiH薄膜做微量的P型掺杂，以形成弱P型氢化非晶硅层53。在电场的驱动下53区域的部分空穴耗尽后形成的负电荷的空间电荷会适当缓和第二电子阻挡层52附近的强电场，从而减少电子注入的效率，所以这个区域53也称为第二电场缓冲区。在靠近第一透明电极层(如图11中标号57)的a-SiH薄膜的成膜过程中在PECVD反应室内导入微量的PH3气体，对a-SiH薄膜做微量的N型掺杂，以形成弱N型的氢化非晶硅层55。在电场的驱动下区域55的部分电子耗尽后形成的正电荷的空间电荷会适当缓和第一空穴阻挡层56附近的强电场，从而减少空穴注入的效率，这个区域55也称为第一电场缓冲区。由此，可降低在表面接触区域的高电场和由此引发的注入暗电流。在氢化非晶硅光电变换层(如图11中标号54)中做上述10-5量级的P型掺杂主要是未掺杂的氢化非晶硅呈现微弱N型导电的性能，极小微量的P型掺杂才可以把微弱N型转变为本征或者说I型(Intrinsic conduction type)。
第二透明电极层的像素电极(如图11中标号51)和微量掺杂的P型氢化非晶硅层53之间还包括第二电子阻挡层52。第二电子阻挡层52可选地，为p+型掺杂的厚度大约在20nm到100nm的a-SiH或者a-SiC薄膜、或者非掺杂的厚度大约在5nm到50nm的a-SiN薄膜或者a-SiO2薄膜等绝缘薄膜。
第一透明电极层(如图11中标号57)和微量掺杂的N型氢化非晶硅层55之间还包括第一空穴阻挡层56。第一空穴阻挡层56可以包括稀土金属的氧化物层，该第一空穴阻挡层56的厚度可以是5nm到50nm之间。第一空穴阻挡层56还可以是n+型掺杂的厚度大约在20nm到100nm的a-SiH或者a-SiC薄膜、或者非掺杂的厚度大约在5nm到50nm的a-SiN薄膜或者a-SiO2薄膜等绝缘薄膜。第一空穴阻挡层还可以是一层包含有In，Ga，Zn的氧化物，其厚度在20nm到100nm之间。
具体而言，采用宽禁带半导体材料薄膜时，比如Sn，In，Ni，Ga等金属的氧化物半导体材料，或者a-SiC,a-SiN,a-SiO2等材料，其空穴载流子的迁移率和寿命的乘积远远低于电子迁移率和电子寿命的乘积，从而可以形成对空穴注入的阻挡效果。此外，经发明人研究发现，某些稀土金属的氧化物，其空穴载流子的迁移率和寿命的乘积远远低于电子迁移率和电子寿命的乘积，从而形成对空穴注入的阻挡效果。很据元素周期表上同族元素具有类似特性的原理，如下这些无色或浅色的稀土金属元素的氧化物，譬如轻稀土金属镧(La)，铈(Ce)，钕(Nd)，钷(Pm)，钐(Sm)，和重稀土金属的钆(Gd)，镝(Dy)，钬(Ho)，铒(Er)，铥(Tm)，镱(Yb)，镥(Lu)，钪(Sc),钇(Y)的氧化物或氮化物都可以用在抑制暗电路注入的可见光电变换层中的薄膜的阳极附近。考虑到稀土金属的成本和光电特性，上述思路和方法给出了更加实用和经济选择。
在本发明的又一个变化例中，可见光电变换层包括微量掺杂的P型氢化非晶硅层(如图12中标号63)、光电变换层(如图12中标号64)、微量掺杂的N型氢化非晶硅层(如图12中标号65)。光电变换层64位于微量掺杂的N型氢化非晶硅层65和微量掺杂的P型氢化非晶硅层63层之间。在第二透明电极层的像素电极(如图12中标号61)和微量掺杂的P型氢化非晶硅层63之间不使用其它阻挡层，使用较高功函数的透明导电材料形成第二透明电极层的像素电极61，使其和微量掺杂的P型氢化非晶硅层63形成较高的电子注入势垒(肖特基势垒)，从而起到阻挡电子从电极注入的效果。在微量掺杂的N型氢化非晶硅层65和第一透明电极层(如图12中标号67)之间制作一层空穴阻挡层(如图12中标号66)。该空穴阻挡层66可以是稀土金属的氧化物层(例如氧化铈(CeO2))，其厚度在5nm到50nm之间。该空穴阻挡层66可以是厚度大致在20nm到100nm之间的n+掺杂的a-SiH薄膜或者a-SiC薄膜，或者是厚度大致在5nm到50nm之间的非掺杂的a-SiN薄膜或者a-SiO2薄膜。空穴阻挡层66也可以是一层包含有In，Ga，Zn的氧化物，其厚度在20nm到100nm之间。如同上述在阴极一侧的肖特基势垒的情况，电极材料或者透明导电氧化物薄膜和半导体接触时，会形成肖特基势垒。根据其功函数和半导体的功函数差异，可以使其具有单向电子流动的整流作用，从而可以防止外部电子或空穴的注入
进一步地，在图12所示的结构中，第一透明电极层67相对于第二透明电极层的像素电极61而言优选地具有较低的功函数。不同的功函数可以通过选择不同的材料或者同种材料但是不同的化学组分百分比，或者通过不同的制作工艺比如调整含有氧分子的百分比来达到。第一透明电极层67和第二透明电极层的像素电极61例如可以采用透明导电氧化物，并通过调整其含有的氧气分子百分比，调节其表面的功函数，使得第二透明电极层的像素电极61和氢化非晶硅的界面形成能够阻挡电子注入的势垒，第一透明电极层67和氢化非晶硅的界面形成能够阻挡空穴注入的势垒。
经过研究发现，各种透明导电氧化物材料的平均功函数有一定的差异。具体而言，一些常用透明导电氧化物材料的功函数大小关系为：ITO≤In2O3≤ZnO2≤Zn4Sn3O12≤Zn2Sn2O5≤AGZO≤MgIn2O4≤GaInO3≤ZnSnO3。这里列出的材料并不包括所有的透明导电氧化物的种类，但是其二元透明导电氧化物，三元透明导电氧化物，或四元透明导电氧化物，或者其相互之间的合成物，都可以按照其功函数的大小来排序。本发明可根据此排序选择功函数较大的透明导电氧化物用作电子的注入阻挡层，选择功函数较小的透明导电氧化物用作空穴的注入阻挡层。从光电变换薄膜的电路结构上来说，也就是功函数较大的透明导电氧化物作为阴极被施加上负电压，功函数较小的透明导电氧化物作为阳极被施加正电压。进一步地，透明导电氧化物的成膜工艺和后期退火工艺的不同，其表面功函数也可能有一定差异。通过工艺调整，也可制成功函数较大的ITO用作阴极，制成功函数较小的ITO用作阳极。
进一步地，如图2所示，连续不间断的可见光电变换层叠加在CMOS集成电路芯片上，该可见光电变换层吸收入射的可见光241并将其转换成电子或空穴。光生电子或空穴在该可见光电变换层内的电场的驱动下，分别移动到正电极或负电极。可见光电变换层的外部电压由位于顶部的第一透明电极层229和位于中间的第二透明电极层的像素电极224的电压差所决定。第二透明电极层的像素电极224连接到开关晶体管218的源极，一旦该晶体管218的栅极被加上高电压并打开，存储的光生电荷就被输出到外电路去。入射的近红外光242穿过彩色滤光片232、可见光电变换层等薄膜后达到红外光电变换层211，并被光电转换成电子或空穴并存储在各个子像素内。当开启电压施加在开关晶体管219的栅极上时，晶体管219被打开，存储的近红外光的光生电荷就被输出到外电路。图2所示的硅的CMOS摄像器件可以是上述简单的一个光电二极管PD和一个开关晶体管的像素结构，也可以是更加复杂的CMOS APS(ACTIVE PIXEL SENSOR)的像素电路结构。
下面结合图3至图10描述本发明提供的多光谱摄像装置的制作方法。图3至图10示出本发明实施例的多光谱摄像装置的制作过程。
首先参见图3，首先提供硅基板210，并在硅基板210上形成红外光电变换层211及开关晶体管218、219。为了加深第二光电变换层对近红外吸收的深度，所述硅基板210也可以是在重P型或N型掺杂的硅基板上通过外延方法生长一层弱P型或弱N型的硅的复合基板。
其后参见图4，淀积和图形化层间透明导电薄膜221，该层间透明导电薄膜221连接到内部或外部的控制电压。
之后参见图5，淀积绝缘膜222(例如SiO2或者SiN)将开关晶体管218、219以及层间透明导电薄膜221保护起来。
然后参见图6至图8，首先于绝缘膜222上形成第二透明电极层。为了保证研磨时的工艺冗余量，所述第二透明电极层的高度优选地，超过50nm。为了便于刻蚀和研磨，第二透明电极层的结构最好为非晶状态，其硬度相对较低，刻蚀精度也容易掌控。使第二透明电极层通过上下过孔连接下部的开关晶体管218并刻蚀为像素电极阵列(包括多个像素电极224)。在一个具体实施例中，采用线性涂布机器或者旋转涂布机器于像素电极阵列上涂布含有溶剂的有机膜，然后通过烘干的工艺制成一层膜厚超过像素电极膜厚的有机薄膜。然后采用CMP工艺，研磨像素电极阵列和有机膜(有机膜作为第一绝缘膜225)表面，以形成第一连续表面。具体而言，采用CMP工艺研磨到像素电极露出和第一连续表面的段差小于5nm的程度。清洗像素电极阵列和有机膜表面，最后放入一定温度的容器中烘烤退火。退火的一个目的是将非晶的像素电极薄膜结晶化，并消除CMP工艺对薄膜表面和体内造成的应力和损伤。根据使用的像素电极薄膜材料和覆盖在其上的绝缘膜的材料特性，退火温度应高于200摄氏度低于摄氏1000度。具体而言，在本实施例中，研磨前从第二透明电极层的底面高度算起第二透明电极层的高度(＝厚度)为h，同样地从第二透明电极层的底面高度算起第一绝缘膜的最大高度(不一定等于其最大厚度)为H(第一绝缘膜的最大高度位于相邻第二透明电极之间)，通过研磨去掉所有第二透明电极层上的第一绝缘膜，并磨掉至少2％的第二透明电极层的厚度以便保证即使存在一定的硅晶片表面的高低偏差依然会让所有的第二透明电极层的像素电极露出。为了确保研磨后的表面平坦度，优选地，在研磨前保证H>1.02h。
在另一个具体实施例中，可参考图9，使用等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)等薄膜淀积方法，在第二透明电极层上淀积一层无机膜，比如SiO2或者SiN,使得其从第二透明电极层底部开始算起的高度超过第二透明电极层厚度的102％。然后采用CMP工艺，制成表面段差小于5nm第一连续表面。
作为另外一种具体实施例，可以让上述无机薄膜叠加在上述有机薄膜之上形成的复合绝缘膜用于第一绝缘膜，这样既可以有下层涂布的有机膜有效地填充电极缝隙和角落的作用，又有上层无机薄膜和第一光电变换层或第二空穴/电子阻挡层之间较好的界面特性(电学的，化学的界面特性以及表面附着力的特性)。在这种复合绝缘膜的实施例中，从第二透明电极层的底面算起的复合绝缘膜的最大高度大于第二透明电极层的厚度的102％，涂布在下层的有机膜在烘干后从第二透明电极的底面算起的最大高度应该小于第二透明电极层厚度的98％，以便在研磨后露出在第一连续表面的基本上是第二透明电极和无机膜层，露出的有机膜的面积少于复合绝缘膜层总面积的5％。
之后，参见图10及图2，连续成膜可见光电变换层和第一透明导电层229。第一透明导电层229连接到外部的控制电压端。然后，成膜钝化保护膜230，RGB彩色滤光片232和黑矩阵231。钝化保护膜230起到保护对水汽敏感的第一透明导电层229和可见光电变换层的作用。
由此，将可见光电变换层(226～228)淀积在段差小于5nm的几乎等于镜面的第一连续表面上后，电极边缘和拐角的边缘电场的强度就被大大减弱，从而降低了氢化非晶硅薄膜227局部漏电流。这种局部漏电流通常是由于两个因素造成的：电极的尖端效应造成的局部高电场；相对平坦地区，覆盖电极边缘或者段差边缘的薄膜的厚度较小。在本发明中，使段差减小或基本没有段差来避免了局部漏电流。
分别结合图11和图12描述本发明提供的另两个实施例。首先参见图11，在上述研磨工艺形成的第一连续表面上，淀积一层宽禁带的电子或空穴阻挡层，其不仅可以防止电子或空穴的注入，还可以防止电荷的横向流动。具体而言，采用PECVD工艺的方式在第二透明电极层的像素电极51上淀积一层p+掺杂的a-SiC薄膜、非掺杂的a-SiN薄膜或者a-SiO2薄膜、NiO(氧化镍)薄膜中的任一薄膜作为第二电子阻挡层52，该第二电子阻挡层52的厚度大致在10nm到50nm。然后在第二电子阻挡层52上采用PECVD等方式成膜非掺杂的或者极小微量P型掺杂的a-SiH薄膜作为光电变换层54，该掺杂浓度应该小于5x10-5。为了降低在表面接触区域的高电场和由此引发的注入暗电流，在第二电子阻挡层52和光电变换层54之间，在PECVD反应室内导入微量B2H6气体，对光电变换层54靠近第二电子阻挡层52的区域做微量的但是高于区域54的掺杂浓度的P型掺杂，以形成微量掺杂的P型氢化非晶硅层53。在电场的驱动下53区域的部分空穴耗尽后形成的负电荷的空间电荷会适当缓和第二电子阻挡层附近的强电场，从而减少电子注入的效率，所以这个区域53也可称为第二电场缓冲区。在光电变换膜层54和第一空穴阻挡层56之间，在PECVD反应室内导入微量的PH3，对膜层55做微量的N型掺杂，以形成微量掺杂的N型氢化非晶硅层。在电场的驱动下区域55的部分电子耗尽后形成的正电荷的空间电荷会适当缓和第一空穴阻挡层附近的强电场，从而减少空穴注入的效率，这个区域55也可称为第一电场缓冲区。在所述第一电场缓冲区55的上面，第一透明电极层57的下面制作的第一空穴阻挡层56。第一空穴阻挡层56可以是稀土金属的氧化物层，比如氧化铈(CeO2)，其厚度在5nm到60nm之间；或者一层n+掺杂的a-SiC薄膜或者非掺杂的a-SiN薄膜或者a-SiO2薄膜，其厚度大致在5nm到50nm之间；或者是一层包含有In，Ga，Zn的氧化物，其厚度在20nm到100nm之间；或者是n+型掺杂的a-SiH薄膜，其厚度在20nm到100nm之间。这样形成的光电变换薄膜的能带结构如图11所示。根据应用需要，上述成膜顺序也可以反过来，当然其驱动电压也就相反，光线的入射方向也相反。
然后参见图12，和图11的结构类似，层63和层65分别为微量掺杂的P型氢化非晶硅层和微量掺杂的N型氢化非晶硅层。和结构11不同的是，在第二透明电极层的像素电极61和微量掺杂的P型氢化非晶硅层63之间不使用其它阻挡层。第二透明电极层的像素电极61为高功函数的透明导电氧化物(TCO：transparent conductive oxide)，第二透明电极层的像素电极61和微量掺杂的P型氢化非晶硅层63之间从而形成较高的电子注入势垒(肖特基势垒)，起到阻挡电子从电极注入的效果(EB，Electron Blocking)。在微量掺杂的N型氢化非晶硅层65和第一透明电极67之间制作一层注入空穴的阻挡层66以进行空穴阻挡(HB，HoleBlocking)，该成分和厚度如图11和上述有关说明类似。
进一步地，为了提高电子越过肖特基势垒的高度，在如图12的电子势能图中，需要第二透明电极的功函数大于第一透明电极的功函数。为此可采用不同材料以获得不同功函数的电极。或者使用同一种TCO材料，但是其成膜工艺和后期退火工艺的不同，从而其表面功函数有一定差异。这就给了制造工艺较大的自由度和成本空间。如图13所示，其揭示了溅射80nmITO薄膜内含氧量(OC，Oxygen Content)和最重要的三个光电性能(P，properties)：透过率(T，Transmission)，电阻率(R，Resistivity)和功函数(WF，Work Function)的相关关系。ITO的含氧量可以通过在磁控溅射成膜的反应室内导入的氧气的分压和射频电压以及靶材的自偏压等参数来调整，或者通过成膜后，或者CMP工艺后的退火工艺条件，比如氧气环境和温度来微调。通过工艺调整，制成功函数较大的ITO用作阴极，制成功函数较小的ITO用作阳极。类似地，这样的制程工艺控制也可用于其他TCO材料。
有鉴于此，本发明将包括电子和空穴注入阻挡层，电场缓冲层和光电变换层的多层薄膜淀积在段差小于5nm的几乎等于镜面的第一连续表面上后，分离的各个像素电极的边缘和拐角的边缘电场的强度就被大大减弱，从而降低了可见光电变换层在像素电极边缘处的局部漏电流。此外，本发明还通过可见光电变换层中电子/空穴阻挡层和靠近电子/空穴阻挡层附近的电场缓冲区的的设置，降低了从阳极/阴极注入的暗电流，提高了信号的均匀性和信噪比。由于成膜在第一连续表面上的电子或空穴阻挡层的高电阻特性，相邻像素电极之间的横向泄露电流被抑制，从而光电变换膜不需要按照各个像素电极的大小进行分割岛屿化。不仅简化了器件结构和制造工艺，而且提高了光电变换膜的有效利用率，去除了岛屿化后的边墙漏电流，基本消除了大角度入射光线导致的混色和光电串扰，消除了为了防止混色和串扰而使用过量遮光膜导致的光线利用率低的问题。通过上述方式，实现了高解像度和高感度并存的多光谱摄像装置。
以上对本发明的基本概念和具体的若干实施例进行了描述。这里需要声明的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或组合，这并不影响本发明的实质内容。本发明也不局限于本发明中为了便于阐明基本概念所描述的医学影像应用和昼夜监控，当然也包括其他领域的应用比如工业产品和环境检测，个人身份判定，虚拟空间和增强现实的游戏以及商业行为等。

Claims (22)

1.一种多光谱摄像装置，其特征在于，沿着入射光线的方向依次包括：
彩色滤光片层，包括彩色滤光片的阵列，用于选择性地通过特定光谱范围的光线；
第一透明电极层，透过可见光和近红外光；
第一光电变换层，用于光电地转换可见光为电信号，沿着光线入射的方向，所述第一光电变换层依次包括：第一电子阻挡层；第一电场缓冲层，由微量掺杂的P型氢化非晶硅层形成；光电变换层，由微量P型掺杂的氢化非晶硅层形成；第二电场缓冲层，由微量掺杂的N型氢化非晶硅层形成；以及第二空穴阻挡层；或者，所述第一光电变换层依次包括：第一空穴阻挡层；第一电场缓冲层，由微量掺杂的N型氢化非晶硅层形成；光电变换层，由微量P型掺杂的氢化非晶硅层形成；第二电场缓冲层，由微量掺杂的P型氢化非晶硅层形成；以及第二电子阻挡层；
第一连续表面，所述第一连续表面由第二透明电极层以及第一绝缘膜形成，所述第二透明电极层包括多个像素电极，所述多个像素电极形成像素电极阵列，所述第二透明电极层收集可见光的电信号并供近红外光透过，所述第一绝缘膜位于所述像素电极之间，所述第一光电变换层位于所述第一透明电极层和所述第一连续表面之间且连续不间断地覆盖在所述第一连续表面上，所述第一连续表面至少经由使得第一连续表面的段差小于5nm的CMP工艺的研磨，并施加超过300摄氏度的热处理工艺；
第二光电变换层的阵列，用于光电地转换近红外光为电信号；以及
电路器件，分别处理来自所述第一光电变换层和第二光电变换层的电信号。
2.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述像素电极阵列和所述第二光电变换层之间还包括层间透明导电层以对第一光电变换层和第二光电变换层做静电隔离，所述层间透明导电层的近红外光透过率大于60%。
3.如权利要求2所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述层间透明导电层的投影覆盖了像素电极面积的80%以上和第二光电变换层面积的80%以上。
4.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第一电子阻挡层包括p+型掺杂的a-SiH或者a-SiC薄膜、NiO薄膜或者Sb2S3薄膜，所述第一电子阻挡层厚度为20nm到100nm之间。
5.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第一空穴阻挡层包括n+型掺杂的a-SiH或者a-SiC薄膜，所述第一空穴阻挡层厚度为20nm到100nm之间。
6.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第一空穴阻挡层包括非掺杂的a-SiN薄膜或者a-SiO2薄膜，所述第一空穴阻挡层的厚度为5nm到50nm之间。
7.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第一空穴阻挡层包括稀土金属的氧化物层，所述第一空穴阻挡层的厚度为5nm到50nm之间。
8.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第一空穴阻挡层包括含有In、Ga、Zn金属的氧化物，所述第一空穴阻挡层的厚度为20nm到200nm之间。
9.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第二电子阻挡层包括p+型掺杂的a-SiH或者a-SiC薄膜、NiO薄膜或者Sb2S3薄膜，所述第二电子阻挡层厚度为20nm到100nm之间。
10.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第二空穴阻挡层包括n+型掺杂的a-SiH或者a-SiC薄膜，所述第二空穴阻挡层厚度为20nm到100nm之间。
11.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第二空穴阻挡层包括非掺杂的a-SiN薄膜或者a-SiO2薄膜，所述第二空穴阻挡层的厚度为5nm到50nm之间。
12.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第二空穴阻挡层包括稀土金属的氧化物层，所述第二空穴阻挡层的厚度为5nm到50nm之间。
13.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第二空穴阻挡层包括含有In、Ga、Zn金属的氧化物，所第二空穴阻挡层的厚度为20nm到200nm之间。
14.如权利要求1的所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第一光电变换层两侧的第一透明电极层和第二透明电极层，其中之一做为被施加较低电位的阴极，其中另一做为被施加较高电位的阳极，所述阴极的功函数大于所述阳极的功函数。
15.如权利要求14所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述阴极包含In和锡的金属氧化物ITO，或者，阳极包含In和锡的金属氧化物ITO，其中阴极的含氧量超过阳极的含氧量。
16.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第一连续表面上，相邻像素电极的间距小于10um，且大于等于0.5um。
17.一种多光谱摄像装置的制作方法，其特征在于，包括：
提供硅基板；
在所述硅基板上形成处理光生电荷信号的电路器件；
在所述硅基板上形成第二光电变换层的阵列，所述第二光电变换层用于光电地转换近红外光的图像信号为电信号；
在所述第二光电变换层之上形成包括多个像素电极形成的像素电极阵列的第二透明电极层及第一绝缘膜，所述像素电极阵列和所述第一绝缘膜共同形成第一连续表面，利用CMP工艺研磨所述像素电极阵列和所述第一绝缘膜背向硅基板的一侧直至所述像素电极背向硅基板的一侧露出，并形成段差小于5nm的第一连续表面，所述第一连续表面至少经由使得第一连续表面的段差小于5nm的CMP工艺的研磨，并施加超过300摄氏度的热处理工艺；
在所述第一连续表面上形成连续不间断的第一光电变换层，所述第一光电变换层用于光电地转换可见光为电信号，沿着光线入射的方向，所述第一光电变换层依次包括：第一电子阻挡层；第一电场缓冲层，由微量掺杂的P型氢化非晶硅层形成；光电变换层，由微量P型掺杂的氢化非晶硅层形成；第二电场缓冲层，由微量掺杂的N型氢化非晶硅层形成；以及第二空穴阻挡层；或者，所述第一光电变换层依次包括：第一空穴阻挡层；第一电场缓冲层，由微量掺杂的N型氢化非晶硅层形成；光电变换层，由微量P型掺杂的氢化非晶硅层形成；第二电场缓冲层，由微量掺杂的P型氢化非晶硅层形成；以及第二电子阻挡层；
于可见光电变换层上形成第一透明电极层和彩色滤光片层。
18.如权利要求17所述的制作方法，其特征在于，
于所述像素电极阵列上采用涂布和/或PECVD等薄膜沉积的方式形成第一绝缘膜，所述第一绝缘膜的从第二透明电极层的底面算起的最大高度大于所述第二透明电极层厚度的102%并完全覆盖所述像素电极阵列。
19.如权利要求18所述的制作方法,其特征在于，
所述第一绝缘膜是由无机绝缘膜叠加在有机膜上形成的复合多层绝缘膜，所述复合多层绝缘膜的从第二透明电极层的底面算起的最大高度大于第二透明电极层的厚度的102%，所述有机膜的从第二透明电极层的底面算起的最大高度小于第二透明电极层厚度的98%。
20.如权利要求17所述的制作方法，其特征在于，
所述第二透明电极层包括ITO或者SnO2，并在所述CMP工艺之前保持为非晶状态，并在所述CMP工艺之后进行超过300摄氏度的烘烤退火。
21.如权利要求20所述的制作方法，其特征在于，所述CMP工艺之后还包括：
对非晶状态的第二透明电极层在至少含有氧气的等离子气体的反应室内的进行处理以便调整第二透明电极层的透光性和表面功函数。
22.如权利要求17所述的制作方法，其特征在于，所述硅基板包括硅外延层在内的复合多层导电类型的硅基板。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107195650B (zh) * 2017-06-13 2024-05-03 江苏城讯成联网络科技有限公司 多光谱摄像装置
JP7558065B2 (ja) * 2018-10-15 2024-09-30 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 固体撮像装置及び電子機器
WO2020217783A1 (ja) * 2019-04-25 2020-10-29 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 撮像装置
US11158750B2 (en) * 2019-07-03 2021-10-26 Texas Instruments Incorporated Superlattice photo detector
CN113777819B (zh) * 2020-06-09 2023-06-06 京东方科技集团股份有限公司 显示面板和显示装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008141705A (ja) * 2006-12-05 2008-06-19 Canon Inc 放射線撮像装置及び放射線撮像システム
JP2009272528A (ja) * 2008-05-09 2009-11-19 Fujifilm Corp 光電変換素子，光電変換素子の製造方法及び固体撮像素子
CN107007260A (zh) * 2017-03-30 2017-08-04 展谱光电科技（上海）有限公司 一种摄像装置以及便携式多光谱摄像和显示设备
CN207116431U (zh) * 2017-08-18 2018-03-16 展谱光电科技（上海）有限公司 多光谱摄像装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5427349B2 (ja) * 2007-10-18 2014-02-26 富士フイルム株式会社 固体撮像素子
US9754980B2 (en) * 2015-06-30 2017-09-05 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Photoelectric conversion element and imaging device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008141705A (ja) * 2006-12-05 2008-06-19 Canon Inc 放射線撮像装置及び放射線撮像システム
JP2009272528A (ja) * 2008-05-09 2009-11-19 Fujifilm Corp 光電変換素子，光電変換素子の製造方法及び固体撮像素子
CN107007260A (zh) * 2017-03-30 2017-08-04 展谱光电科技（上海）有限公司 一种摄像装置以及便携式多光谱摄像和显示设备
CN207116431U (zh) * 2017-08-18 2018-03-16 展谱光电科技（上海）有限公司 多光谱摄像装置

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