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CN110444557A - 一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器及其制备方法 - Google Patents

一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器及其制备方法 Download PDF

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CN110444557A
CN110444557A CN201910862087.6A CN201910862087A CN110444557A CN 110444557 A CN110444557 A CN 110444557A CN 201910862087 A CN201910862087 A CN 201910862087A CN 110444557 A CN110444557 A CN 110444557A
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China
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nanodisk
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array
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subarray
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CN201910862087.6A
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曹笈
朱滨
孙英豪
刘文朋
刘钢
谷雨
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Jiangsu Ji Cai Intelligent Sensing Technology Research Institute Co Ltd
Original Assignee
Jiangsu Ji Cai Intelligent Sensing Technology Research Institute Co Ltd
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
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Abstract

本发明公开了一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器，包括基底电路层，所述基底电路层上设置有电连接的光敏器件层，所述光敏器件层上设置有滤光结构层，所述滤光结构层上设置平坦层；所述滤光结构层由纳米盘阵列组成，所述纳米盘阵列包括多个子阵列，各子阵列包括多个纳米盘，相同子阵列内的纳米盘具有相同的直径和周期，不同子阵列中的纳米盘具有不同的直径和周期。利用氢化非晶硅纳米盘结构实现了彩色滤光，兼容异质基底上以及CMOS工艺，可直接在现有CMOS图像晶圆上沉积薄膜，制备工艺简单，非晶硅纳米盘结构利用的是米氏散射实现电偶极子和磁偶极子的共振，通过改变纳米盘几何参数可实现特定波长的光的选择，波长选择灵活，可以实现多波长滤光。

Description

一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及图像成像技术领域，具体是一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器及其制备方法。
背景技术
传统的多波段滤光仪为了提取更多的光谱信息，需要配合多种规格滤波器以及多层介质的干涉滤光片，使用复杂、成本昂贵、体积笨重、功耗大，需要专业人士进行操作，无法在移动端进行集成。多波段滤光传感器是实现小型化便携化的多波段滤光成像装置的核心，基于硅纳米线的多波段滤光传感器虽然可以实现彩色滤光，但纳米线通常长达几微米，直径只有几十纳米，高纵横比导致使用过程中不稳定，易碎；同时在制备过程中需要额外的金属掩膜(metal mask)，另一方面硅纳米线一般指的是晶体硅纳米线，但在异质基底上很难生长高质量的晶体硅薄膜。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器及其制备方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器，包括基底电路层，所述基底电路层上设置有电连接的光敏器件层，所述光敏器件层上设置有滤光结构层，所述滤光结构层上设置平坦层；所述滤光结构层由纳米盘阵列组成，所述纳米盘阵列包括多个子阵列，各子阵列包括多个纳米盘，相同子阵列内的纳米盘具有相同的直径和周期，不同子阵列中的纳米盘具有不同的直径和周期，在所述平坦层上还设置有微透镜阵列。
其中，所述纳米盘阵列的高度在50～200nm，周期在100～400nm。
其中，所述纳米盘阵列的纵横比在1:10～1:1之间。
其中，所述纳米盘阵列包括至少四个子阵列，各子阵列包括多个纳米柱，每个子阵列对应光敏器件层的一个光敏器件。
其中，所述光敏器件层包括光电二极管，单个光电二极管构成一个光敏器件。
其中，所述组成滤光结构层的纳米盘阵列为非晶硅纳米盘阵列、铝纳米盘阵列或者银纳米盘阵列。
本发明还提供一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1：准备已完成光敏器件层结构工艺的CMOS图像传感器晶圆；
S2：在晶圆上沉积非晶硅薄膜，薄膜厚度为50nm～100nm；
S3：经过一次光刻及刻蚀工艺在光敏器件层上形成滤光结构层的非晶硅纳米盘阵列，其中纳米盘阵列包括多个子阵列，每个子阵列包括多个纳米柱，同一子阵列内的纳米柱具有相同直径和周期，不同子阵列的纳米柱具有不同的直径和周期，每个子阵列对应一个光敏器件层上的光敏器件；
S4：在晶圆上旋涂聚合物以填充纳米盘间隙并使晶圆表面平坦，构成平坦层；
S5：在晶圆上粘贴微透镜阵列后进行封装、切割，形成多波段滤光传感器。
有益效果：本发明具有以下有益效果：
1、利用氢化非晶硅纳米盘结构实现了彩色滤光，兼容异质基底上以及CMOS工艺。
2、可直接在现有CMOS图像晶圆上沉积薄膜，然后经过一次光刻和刻蚀就可以制备纳米盘结构，制备工艺简单，能满足批量生产要求。
3、非晶硅纳米盘结构利用的是米氏散射实现电偶极子和磁偶极子的共振，通过改变纳米盘几何参数可以实现特定波长的光的选择，波长选择灵活，可以实现多波长滤光。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为滤光结构层的非晶硅纳米盘结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1和图2所示，本发明的一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器，包括基底电路层1，所述基底电路层1上设置有电连接的光敏器件层2，所述光敏器件层2上设置有滤光结构层3，所述滤光结构层3上设置平坦层4；所述滤光结构层3由纳米盘阵列组成，所述纳米盘阵列包括多个子阵列31，各子阵列31包括多个纳米柱，相同子阵列31内的纳米柱具有相同的直径和周期，不同子阵列31中的纳米柱具有不同的直径和周期。在所述平坦层4上还设置有微透镜阵列5，微透镜阵列5可采用现有技术。所述纳米盘阵列的高度在50～200nm，周期在100～400nm，纳米盘阵列的纵横比在1:10～1:1之间。所述纳米盘阵列包括至少四个子阵列31，各子阵列31包括多个纳米柱，每个子阵列31对应光敏器件层2的一个像素点。所述光敏器件层2包括多个光电二极管，各光电二极管构成一个像素点。
具体地，基底电路层1为半导体材料，可以为硅、GaN、GaAs等；光敏器件层2设置在基底电路层1上，用于将光信号转换为电信号，其具体可为多个设置在基底电路层1上的光电二极管组成，各光电二极管为一个像素点。滤光结构层3设置在光敏器件层2上方，是由纳米盘阵列组成，纳米盘阵列的高度是一致的，在50nm～200nm之间；纳米盘阵列包括多个子阵列31，每个子阵列31包括多个纳米盘，同一子阵列内的纳米盘具有相同直径和周期，不同子阵列的纳米盘具有不同的直径和周期。每个子阵列可以选择一种波长透过，同时对应的子阵列下方的光敏器件层2的像素点可以检测对应波长的光，如图2所示，作为一种实施方式，此时一个纳米盘阵列包括九个子阵列31，不同子阵列之间的纳米盘直径和周期不一样，通过设置不同的直径和周期，从而可以选择不同的九种波长的光透过。
本发明中纳米盘的高度在50～200nm之间，周期在100～400nm，纳米盘纵横比在1:10～1:1之间。本发明中滤光结构层3为非晶硅纳米盘，优选为氢化非晶硅，其相对非晶硅内部缺陷较少，可以降低光子的吸收，提高光的透过率。非晶硅薄膜可以在低温下不同衬底上生长，经过一次光刻就可以形成所需要的结构，工艺简单，兼容CMOS工艺。非晶硅纳米盘在可见光区域具有高吸收，透过率低的特点，而本发明中的非晶硅纳米盘实质是一种超薄电介质超曲面，纳米盘结构散射截面积大，当周期小于所需要透射的波长时，利用阵列型的纳米盘结构可以产生由米氏散射引发的电偶极子和磁偶极子共振，可以增强特定波长的入射光透射，而非特定波长波段的入射光无法透射，通过改变纳米盘周期和直径可以控制共振条件，改变可增强透射的入射光中心波长，从而实现滤光特性。在本申请另一实施例中，滤光结构层也可以为铝纳米盘或者银纳米盘，其中铝纳米盘不易氧化，在可见光范围内均可滤光；银纳米盘对波长选择性好，颜色饱和度好。
本发明中纳米盘阵列之间的间隙可以通过聚合物材料进行填充，构成平坦层4，聚合物材料可以作为折射率匹配层，从而为纳米盘建立一个均匀的光学环境，有利于提供光的透射；同时进行填充后可以提供一个相对平坦的表面，从而有利于后续其它器件的集成。聚合物材料可以为PMMA或其它透明材料。也可以利用二氧化硅薄膜进行填充，沉积高于纳米盘厚度的二氧化硅薄膜后再进行研磨实现平坦化。
本发明还提供一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1：准备已完成光敏器件层2结构工艺的CMOS图像传感器晶圆；
S2：在晶圆上沉积氢化非晶硅薄膜，薄膜厚度为50nm～100nm；
S3：经过一次光刻及刻蚀工艺在形成滤光结构层3的非晶硅纳米盘阵列，其中纳米盘阵列包括多个子阵列31，每个子阵列31包括多个纳米盘，同一子阵列31内的纳米盘具有相同直径和周期，不同子阵列31的纳米盘具有不同的直径和周期，每个子阵列31对应一个光敏器件层2上的像素点；
S4：在晶圆上旋涂聚合物以填充纳米盘间隙并使晶圆表面平坦，构成平坦层4；
S5：在晶圆上粘贴微透镜阵列5后进行封装、切割，形成多波段滤光传感器。

Claims (7)

1.一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器，其特征在于：包括基底电路层(1)，所述基底电路层(1)上设置有电连接的光敏器件层(2)，所述光敏器件层(2)上设置有滤光结构层(3)，所述滤光结构层(3)上设置平坦层(4)；所述滤光结构层(3)由纳米盘阵列组成，所述纳米盘阵列包括多个子阵列(31)，各子阵列(31)包括多个纳米盘，相同子阵列(31)内的纳米盘具有相同的直径和周期，不同子阵列(31)中的纳米盘具有不同的直径和周期；在所述平坦层(4)上还设置有微透镜阵列(5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器，其特征在于：所述纳米盘阵列的高度在50～200nm，周期在100～400nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器，其特征在于：所述纳米盘阵列的纵横比在1:10～1:1之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器，其特征在于：所述纳米盘阵列包括至少四个子阵列(31)，各子阵列(31)包括多个纳米柱，每个子阵列(31)对应光敏器件层(2)的一个光敏器件。
5.根据权利要求4所述的一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器，其特征在于：所述光敏器件层(2)包括光电二极管，单个光电二极管构成一个光敏器件。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器，其特征在于：所述组成滤光结构层(3)的纳米盘阵列为非晶硅纳米盘阵列、铝纳米盘阵列或者银纳米盘阵列。
7.一种权利要求1-6所述的基于纳米盘结构的多波段滤光传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：准备已完成光敏器件层(2)结构工艺的CMOS图像传感器晶圆；
S2：在晶圆上沉积非晶硅薄膜，薄膜厚度为50nm～100nm；
S3：经过一次光刻及刻蚀工艺在光敏器件层(2)上形成滤光结构层(3)的非晶硅纳米盘阵列，其中纳米盘阵列包括多个子阵列(31)，每个子阵列(31)包括多个纳米柱，同一子阵列(31)内的纳米柱具有相同直径和周期，不同子阵列(31)的纳米柱具有不同的直径和周期，每个子阵列(31)对应一个光敏器件层(2)上的光敏器件；
S4：在晶圆上旋涂聚合物以填充纳米盘间隙并使晶圆表面平坦，构成平坦层(4)；
S5：在晶圆上粘贴微透镜阵列(5)后进行封装、切割，形成多波段滤光传感器。
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