CN108615736A - 制作在传感器表面的可提高光传感器灵敏度的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了制作在传感器表面的可提高光传感器灵敏度的结构。本发明利用CMOS传感器的感光像素中的无效面积，通过在金属膜上制作一些特别设计的微纳结构，可以使局部透过率大大增强，使光信号在穿过金属膜后将无效面积的光照有效聚集到有效感光位置，从而提高传感器的灵敏度。该特别设计的微纳结构可以方便地覆盖在光电探测器、传感器、影像器等部件的表面，达到提高其灵敏度的效果。本发明也适用于其他芯片/结构/器件的有效透光效率增加。
Description
技术领域
本发明涉及基于表面等离子波的金属膜增透设计方法和微纳结构，特别是一种制作在传感器表面的可提高光传感器灵敏度的结构。
背景技术
如何提高CMOS等光电传感器的灵敏度是科技工作者的不懈追求。当前广泛使用的CMOS等光电传感器的一个难以避免的问题在于：在每一个物理像素内都只有部分面积是有效感光面积，其他无效面积被用于制备与感光部分相配套的驱动电路、电流导线等，照射在这部分面积上的光的能量没有被有效接收，造成了浪费。尽管近年来人们通过不懈努力，有效地降低了无效面积所占的比例，但是限于物理原因，总是无法100%的利用一个像素内的全部物理面积，部分传感器的无效面积甚至占到了总像素面积的70%左右。这也是限制这些光电传感器灵敏度的一个重要因素。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于表面等离子波原理对入射光信号进行局部增透的金属膜微纳结构，以充分利用CMOS等光电传感器像素的无效面积，从而达到提高灵敏度的效果。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种制作在传感器表面的可提高光传感器灵敏度的结构， CMOS光电传感器或光学镜头表面镀有一层金属膜，光学镜头放置在CMOS光电传感器上，金属膜上按阵列分布若干个子结构，每个子结构由中心过孔与一系列同心环组成；每个子结构一一对应于CMOS光电传感器的物理像素，此时阵列结构的几何尺寸周期与CMOS光电传感器的物理像素几何尺寸周期相同或相近；子结构包括透光部分和不透光部分，光电传感器物理像素的有效感光部分和子结构的透光部分相对应，从而不会影响原有的感光效果；同时，物理像素的无效感光部分和子结构的不透光部分相对应，并通过子结构的不透光部分的环结构激发表面等离子波，以把这部分光的能量部分搜集起来并从子结构的透光部分透射过去，从而达到增透的效果。
中心过孔深度与金属膜厚度相同，同心环蚀刻深度小于等于金属膜厚度一半，其中金属膜厚度在入射光波长量级。
中心过孔深度与金属膜厚度相同，最靠近中心过孔的环蚀刻深度为膜厚度，其中金属膜厚度在入射光波长量级。
***周期同心环结构的形状为圆形、三角形、正方形、菱形或其他几何形状。
金属膜使用银、金、铜、铝或其他可在相应的电磁波段激发表面等离子波的金属或其他材料来制备。
本发明与现有技术相比，其显著效果是：1）对有效透光能量有增强聚集的效果，可以使得光电传感器采集到更微弱的光信号，提高其灵敏度。2）结构尺寸适合当前主流CMOS等光电传感器的像素点大小，可以充分利用像素的无效感光区域，使得该结构更加方便应用于现在主流的器件。3）该结构对依附体无高要求，在应用时并不需要为此改变现有光电传感器的结构和设计，使用时只需在现有器件的芯片表面镀膜形成微纳结构图形，或在光电传感器附带的光学镜头上镀膜形成微纳结构图形，或在透明的基底材料上镀膜形成微纳结构图形后再贴在传感器芯片或镜头表面，使用方便，成本低，效果佳，稳定性高。
附图说明
图1是单孔结构示意图。
图2是单孔单环结构示意图。
图3是单孔双环结构示意图。
图4是单孔三环结构示意图。
图5是单孔阵列结构示意图。
图6是单孔单环阵列结构示意图。
图7是单孔双环阵列结构示意图。
图8是单孔三环阵列结构示意图。
图9是单孔银结构与单孔SiO2近场接收能量对比图。
图10是单孔银结构阵列与单孔银结构近场接收能量对比图。
图11是单孔单环银结构阵列与单孔单环银结构近场接收能量对比图。
图12是单孔双环银结构阵列与单孔双环银结构近场接收能量对比图。
图13是单孔三环银结构阵列与单孔三环银结构近场接收能量对比图。
图14是阵列银结构与单独结构远场接收能量对比图。
图15、图16是一个微纳结构单元的示意图。
具体实施方式
本发明基于表面等离子波局部增透原理，设计一种可以在CMOS等光电传感器像素阵列表面附着的特殊金属薄膜微纳结构，把原本照射在无效感光面积上的光能量通过这些薄膜上的微纳结构有效地收集传递到有效感光面积处，从而可以提升光电传感器的灵敏度。
中心过孔深度与金属膜厚度相同，同心圆环结构蚀刻深度小于金属膜厚度。其中金属膜厚度在入射光波长量级，凹槽蚀刻深度为膜厚度一半左右。微纳结构可直接在CMOS等光电传感器的芯片之上进行镀膜实现，微纳结构中的每个结构单元一一对应于CMOS等光电传感器的物理感光像素，此时微纳阵列结构的几何尺寸周期与CMOS等光电传感器的物理像素几何尺寸周期相同或相近。
对应一个物理像素的一个微纳结构单元如图15、16所示，其中阴影部分为蚀刻部分；在金属膜上通过蚀刻做出如图所示的微纳结构，包括中心贯穿孔和***周期性凸凹圆环结构，以激发在对应电磁波长的表面等离子波，从而起到在中心贯穿孔处的增透作用。
***周期结构的形状可以为圆形，三角形，正方形，菱形或其他几何形状。
所述结构单元排列成周期行列结构，并和CMOS等光电传感器上的物理像素一一对应。使用银，金，铜，铝或其他可在相应的电磁波段激发表面等离子波的金属或其他材料来制备该微纳结构。最靠近中心的环蚀刻深度可以为膜厚度。
下面结合附图以最常应用的可见光波段和银膜为例对本发明的应用实例作进一步详细描述。
物理像素的有效感光部分和金属膜结构的透光部分相对应，从而不会影响原有的感光效果；同时，物理像素的无效感光部分和金属膜结构的不透光部分相对应，并通过在金属膜结构的不透光部分进行一些特殊的微纳结构设计激发表面等离子波，以把这部分光的能量部分搜集起来并从金属膜结构的透光部分透射过去，从而达到增透的效果，最终在同样入射条件下使感光器的有效感光部分接收到更高的光强，体现为感光器物理像素的感光灵敏度得到提高。
举例说明，在波段范围850nm。银膜厚度为500nm，蚀刻槽深度250nm。单个结构在近场对光束有明显的聚集增强效果。在较远位置阵列结构对光束有更明显的聚集增强效果。单个结构与阵列结构的应用临界点为传感器距离结构约30um的位置。
图1单孔结构示意图
孔半径0.92um。
图2单孔单环结构示意图
孔半径0.92um，环周期1.68um。
图3单孔双环结构示意图
孔半径0.92um，环周期0.84um。
图4单孔三环结构示意图
孔半径0.92um，环周期0.56um。
图5单孔阵列结构示意图
孔半径0.92um，阵列周期5.2um。
图6单孔单环阵列结构示意图
孔半径0.92um，环周期1.68um，阵列周期5.2um。
图7单孔双环阵列结构示意图
孔半径0.92um，环周期0.84um，阵列周期5.2um。
图8单孔三环阵列结构示意图
孔半径0.92um，环周期0.56um，阵列周期5.2um。
图9单孔银结构与单孔SiO2近场接收能量对比图
横坐标为采集器距离样品的距离，纵坐标为采集器采集的能量。在近场，所述结构收集到的能量明显大于直接光照下相同面积获得的能量。
图10单孔银结构阵列与单孔银结构近场接收能量对比图
在近场，所述单独结构收集到的能量明显大于所述阵列结构相同面积获得的能量。
图11单孔单环银结构阵列与单孔单环银结构近场接收能量对比图
在近场，所述单独结构收集到的能量明显大于所述阵列结构相同面积获得的能量。
图12单孔双环银结构阵列与单孔双环银结构近场接收能量对比图
在近场，所述单独结构收集到的能量明显大于所述阵列结构相同面积获得的能量。
图13单孔三环银结构阵列与单孔三环银结构近场接收能量对比图
在近场，所述单独结构收集到的能量明显大于所述阵列结构相同面积获得的能量。
图14阵列银结构与单独结构远场接收能量对比图
在远场，一系列阵列结构收集到的能量明显大于单独结构相同面积获得的能量。
综上所述，本发明在金属膜上制作一系列特别设计的微纳结构。入射光照射在此微纳结构上，激发表面等离子波，光能量沿结构表面传播，***结构将光能量向透光处传播，聚集在透窗处穿过金属膜，从而起到局部增透的效果。本设计也适用于其他芯片/结构/器件的有效透光效率增加。
Claims (5)
1.一种制作在传感器表面的可提高光传感器灵敏度的结构，其特征在于：CMOS光电传感器或光学镜头表面镀有金属膜，光学镜头放置在CMOS光电传感器上，金属膜上按阵列分布若干个子结构，每个子结构由中心过孔与一系列同心环组成；每个子结构一一对应于CMOS光电传感器的物理像素，此时阵列结构的几何尺寸周期与CMOS光电传感器的物理像素几何尺寸周期相同或相近；子结构包括透光部分和不透光部分，光电传感器物理像素的有效感光部分和子结构的透光部分相对应；同时，物理像素的无效感光部分和子结构的不透光部分相对应，并通过子结构的不透光部分的环结构激发表面等离子波，以把这部分光的能量部分搜集起来并从子结构的透光部分透射过去。
2.根据权利要求1所述的制作在传感器表面的可提高光传感器灵敏度的结构，其特征在于：中心过孔深度与金属膜厚度相同，同心环蚀刻深度小于等于金属膜厚度一半，其中金属膜厚度在入射光波长量级。
3.根据权利要求1所述的制作在传感器表面的可提高光传感器灵敏度的结构，其特征在于：中心过孔深度与金属膜厚度相同，最靠近中心过孔的环蚀刻深度为膜厚度，其中金属膜厚度在入射光波长量级。
4.根据权利要求1-3所述的制作在传感器表面的可提高光传感器灵敏度的结构，其特征在于：***周期同心环结构的形状为圆形、三角形、正方形、菱形或其他几何形状。
5.根据权利要求1-3所述的制作在传感器表面的可提高光传感器灵敏度的结构，其特征在于：金属膜使用银、金、铜、铝或其他可在相应的电磁波段激发表面等离子波的金属或其他材料来制备。
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