[发明专利]半导体图像传感器的像素及制造像素的方法

说明书

一种具有增强的量子效率的像素(1)，其包括半导体主体(2)，该半导体主体具有被配置作为入射表面的第一表面(3)和被配置为用于捕获入射在第一表面(3)上的光的光捕获区域(4a)。该像素还包括结构化界面(5)、在半导体主体的垂直于第一表面(3)的至少两个表面(7)上的隔离层(6)以及滤光元件(8)，该滤光元件布置在与第一表面(3)相距一定距离处，使得以小于临界角(αc)的入射角度(α)入射到第一表面(3)上的光照射到滤光元件(8)上。

本公开涉及一种用于半导体图像传感器的像素并且涉及一种用于制造这种像素的方法。

CMOS图像传感器用于广泛的应用中，例如用于智能电话、平板计算机、膝上型计算机等中的相机模块。这些应用中的许多应用依赖于有源照明的使用，特别是借助于LED或诸如VCSEL的激光光源。为了图像传感器的高效操作，特别是在这些情况下，图像传感器的单个像素的高量子效率是至关重要的。对于红外波段中的应用，例如3D成像，现有技术的图像传感器经常遭受低效率，这是由于光从像素逸出而没有被检测到，即光被像素的有源区域吸收。另外，其它缺点通常包括由于不期望的背景信号所导致的高噪声贡献，以及在除了像素的目标波长之外的光波长处的不必要的高灵敏度。

因此，要实现的目的是提供一种针对半导体图像传感器的像素的改进概念，其特征在于在目标波长处的增强的量子效率并且克服了现代图像传感器的缺点。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中限定了本改进概念的实施例和改进方案。

如果同时必须保持小的像素尺寸以便实现紧凑的高分辨率图像传感器，则通过增加检测器材料的厚度来增加像素的有源区(例如，光电二极管的有源光捕获区域)的明显方法通常是不可能实现的。然而，本改进概念是基于提供具有以下像素的图像传感器的思想，即该像素能够将光俘获在像素体积内很长一段时间，理想情况下，直到光最终在像素的有源区中被吸收并因此被检测到。此外，根据本改进概念的像素确保在至少一个预定目标波长处的窄波段灵敏度，并且同时防止来自任何波长处的不期望背景光的噪声贡献。

特别地，根据本改进概念的像素包括半导体主体，该半导体主体具有被配置作为入射表面的第一表面和被配置为用于捕获入射在第一表面上的光的光捕获区域。该像素还包括结构化界面、在半导体主体中的垂直于第一表面的至少两个表面上的隔离层以及滤光元件，该滤光元件被布置在与第一表面相距一定距离处，以使得以小于临界角的入射角度入射到第一表面上的光照射到该滤光元件上。

图像传感器的每个像素都被配置为捕获入射在相应像素上的光学信息并且生成表示该光学信息的电学信息。尤其对于根据标准CMOS技术制造的图像传感器而言，像素的工作原理是使用光电二极管来将光强度转换为光电流。在这种连接下，半导体主体所包括的硅基光电二极管是常见的选择，因为这些二极管在190nm至1100nm的宽波长范围内是敏感的，并且因此覆盖可见域和红外域中的电磁光谱的相关部分。此外，由于硅的带隙大，所以硅基光电二极管与诸如锗基光电二极管的其它光电二极管相比表现出优越的噪声性能。

结构化界面被配置为通过实现光散射界面来散射入射光，该光散射界面例如由半导体主体的表面上的光散射层来形成。例如，光散射层的表面上的结构具有形成结构化表面的金字塔形状。光散射层可以是与半导体主体的材料相同的材料，诸如硅，或者例如是其折射率与半导体主体材料的折射率不同的不同材料，诸如氧化物。像素体积内入射光的散射使得能够通过改变其传播路径来将光俘获在所述像素体积内。

为了进一步防止光在被吸收之前从像素体积逸出，在半导体主体的多个表面上布置隔离层。例如，像素的侧面，即垂直于第一表面的面，包括诸如二氧化硅的材料层，该材料层的折射率与半导体主体的材料的折射率不同。像素体积内以大于截止角的入射角照射到由隔离层产生的界面上的光被完全反射并因此被俘获在像素体积内。优选地，小的截止角是预定的，并且取决于半导体主体的折射率和隔离层的折射率。像素体积由半导体主体来限定，该半导体主体由第一表面、半导体主体中的与第一表面相对的表面以及半导体主体中的垂直于第一表面的侧表面来界定。