CN1551365A - 固态成像器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态成像器件，它包括与象素相应的基底，基底上设有按以下顺序层叠的光接收部分：用于吸收红色波长范围的光的光电导层、用于吸收绿色波长范围的光的光电导层、以及用于吸收蓝色波长范围的光的光电导层。在每一光电导层之上设有透明电极层。设置在光电导层之上的透明电极层和设置在光电导层之下的透明电极层之间夹有用于反射绿色波长范围的光的半透明反射层。同样，设置在光电导层之上的透明电极层和设置在光电导层之下的透明电极层之间夹有用于反射蓝色波长范围的光的半透明反射层。通过这样的结构，能很好地提供获得较高的彩色分辨率和较好的感光性的光电导层叠型单片彩色固态成像器件。

Description

固态成像器件

技术领域

本发明涉及单片(single-plate)彩色CCD和CMOS固态成像器件，更具体地说，涉及一种光电导层叠层型(photoconductive-layer-stacked type)固态成像器件，该器件包括位于基底上用作光-电转换部分的光电导层叠层。

背景技术

在通用型单片彩色固态成像器件中，与光接收部分一起形成的象素具有如R(红)、G(绿)、和B(蓝)之类的滤色片。借助这种结构的固态成像器件，每个具有各种滤色片的象素成组地工作以获得彩色信号。这将限制空间分辨率的提高。为有所改善，近来提出了一种固态成像器件，其包括用作光-电转换部分的光电导层叠层(光-电转换层)，其中这些层与所述色彩之间具有一对一的关系。采用这种固态成像器件，不需要将象素分组而只需要单一象素就能够得到彩色信号。

在这种光电导层叠层型固态成像器件中，作为光-电转换部分的光电导层形成在基底上，图1示出了光接收部分的结构。参见图1，光接收部分位于半导体基底101上，并由用于红色103R的光电导层、用于绿色103G的光电导层和用于蓝色103B的光电导层构成。在这些光电导层103R、103G和103B上，每层都设置有透明电极105。更具体地说，光电导层103B位于顶部，其厚度足以吸收尤其是蓝色波长范围的光Hb。光电导层103G位于中部，其厚度足以吸收尤其是绿色波长范围的光Hg。位于底部的是光电导层103R，其厚度足以吸收尤其是红色波长范围的光Hr。

通过给半导体基底101和设置在这些光电导层103R、103G和103B的上方和下方的透明电极层105施加电压，在光-电转换之后任何通过这些光电导层103R、103G和103B吸收的电荷都被顺序读出。以这样的方式，能够通过单一象素获得彩色信号(详细情况请参见非专利文献1：由DietmarKnipp等人撰写的“Stacked Amorphous Silicon Color Sensor”，IEEETRANSACTION ON ELECTRON DEVICES，第49卷第1期，2002年1月，170-176页)。

发明内容

这里的问题在于，在所述光电导层叠层型固态成像器件中，光电导层难以完全吸收各波长范围的光。结果，如图1所示，如果顶部的光电导层103B不能将蓝色波长范围的光Hb完全吸收，残余的光将漏进其下面的光电导层103G和103R。同样，如果中部的光电导层103G不能将绿色波长范围的光Hg完全吸收，则不能完全防止光漏进下面的光电导层103R。漏光的结果降低了彩色分辨率和目标信号强度，即，降低了在光电导层103R、103G和103B的波长范围内的感光性。

因此，本发明的目的在于提供一种光电导层叠层型单片彩色固态成像器件，其具有较高的彩色分辨率和较好的感光性。

为达到上述目的，本发明旨在提供一种固态成像器件，其中在与象素对应的基底上设置多层膜层叠的光接收部分，每个都包括位于其上的光电导层和透明电极层。在此成象设备中，设置在光电导层之间的透明电极层之间夹有半透明反射层，通过该半透明反射层反射预定波长范围的光，而使波长大于该范围的光通过。

此外，本发明还提供一种固态成像器件，包括：第一光-电转换层；形成在第一光-电转换层之上的第二光-电转换层；以及形成在第二光-电转换层之上的第三光-电转换层。在该成象设备中，在第一光-电转换层和第二光-电转换层之间形成第一半透明层，在第二光-电转换层和第三光-电转换层之间形成第二半透明层。

附图说明

图1是传统的光电导层叠层型单片彩色固态成像器件中的光接收部分的截面图；

图2是一实施方式的固态成像器件的结构示意图；

图3A到3C是一组表示半透明反射层和光吸收层的光传输性能的曲线；

图4A和4B都是波长-光电流关系的曲线图，它们示出了固态成像器件的光谱特性。

具体实施方式

优选实施方式的描述

下面，参照附图详细描述本发明一实施方式的固态成像器件。

图2示例性地示出了本发明的固态成像器件的主要结构。图中，固态成像器件包括示例性地由单晶硅制成的基底1，在该基底的表面上以矩阵形式设置多个象素(图中只示出一个象素)。每个象素上设有光接收部分3。

光接收部分3包括用于红色的光电导层5r、用于绿色的光电导层5g和用于蓝色的光电导层5b，这些光电导层依这种顺序叠置在基底1上。在这些光电导层5r、5g和5b的每层的上方和下方设置透明电极层7。也就是说，光电导层5r夹在透明电极层7之间，光电导层5g和5b也如此。光电导层5r之上的透明电极层7和光电导层5g之下的透明电极层7之间夹有半透明反射层9g，以反射任意特定波长范围的光。同样的目的，半透明反射层9b夹在光电导层5g之上的透明电极层7和光电导层5b之下的透明电极层7之间。于是，该结构为两层结构，其中设置在光电导层5r、5g和5b之间的电极层7夹有半透明反射层9g和9b。此外，在基底1和底部的透明电极层7(即，最下面的透明电极层)之间设置光吸收层11。

接下来将详细描述构成上述光接收部分3的各层。

虽然未示出，但每个光电导层5r、5g和5b都为多层薄膜。在所述多层薄膜中，光-电转换层夹在电子注入阻挡层和空穴注入阻挡层之间，这样每个多层结构的光电导层5r、5g和5b都具有例如i型非晶硅制成的光-电转换层，其夹在由i型非晶硅碳化物构成的电子注入阻挡层和由p型非晶硅碳化物构成的空穴注入阻挡层之间。

当光H从顶部的透明电极层7射入，设置在下面的光电导层5b具有的厚度tb可吸收蓝色波长范围的光Hb和波长小于该范围的光Hb，而使波长范围大于蓝色波长范围的光通过。当光H从顶部的透明电极层7到达中部的光电导层5g时，光电导层5g具有的厚度tg可吸收绿色波长范围的光Hg，而使波长范围大于绿色波长范围的光通过。此外，底部的光电导层5r的厚度tr可吸收从顶部的透明电极层7到达的光，即波长范围比绿色波长范围大的红色波长范围内的光Hr。

这里，层厚度tb、tg和tr都表示光膜厚度，它们随相应的光电导层5r、5g和5b的材料的改变而变。

夹在这些光电导层5r、5g和5b之间的透明电极层7例如由ITO(铟锡氧化物)、TO(氧化锡)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、IZO(铟锌氧化物)、IXO(铟、锌和氧的化合物)或其它化合物构成。

夹在光电导层5r之上的透明电极层7和光电导层5g之下的透明电极层7之间的半透明反射层9g、以及夹在光电导层5g之上的透明电极层7和光电导层5b之下的透明电极层7之间的半透明反射层9b以具有半透射和半反射特性的所谓的二向色镜或二向色滤光片为代表。具体地说，半透明反射层9g和9b的结构可反射预定波长范围的任何光，而使较长波长侧上的任何光通过。通过利用多层薄膜的光干涉效应，这样的半透明反射层9g和9b只反射预定波长范围的光，而使任何其它波长范围的光通过。

具体而言，上部半透明反射层9b反射从顶部透明电极层7进入到光电导层5b的光H之中的仅被其下面的光电导层5b吸收的蓝色波长范围的光Hb，并使较长波长范围的光H通过。就是说，如图3A所示，半透明反射层9b对于蓝色波长范围内(大约490nm到550nm)的光Hb具有较小的透射率T(％)，而通过该波长范围的光Hb的反射，对于较大波长范围的光具有较高的透射率T(％)。

下部半透明反射层9g反射从顶部透明电极层7到达光电导层5g的光H中的仅被其上面的光电导层5g吸收的绿色波长范围的光Hg，并使其余光通过。就是说，如图3B所示，半透明反射层9g对于绿色波长范围内(大约490nm到580nm)的光Hg具有较小的透射率T(％)，而通过该波长范围的光Hg的反射，对于任何其它波长范围的光具有较高的透射率T(％)。

直接位于基底1上的光吸收层11、即光接收部分3的底部由能够吸收从顶部透明电极层7进入的光的材料制成。这里，到达光吸收层11的光Hr是通过光电导层5b、5g和5r的光中之一。蓝色波长范围的光Hb被光电导层5b吸收，而绿色波长范围的光Hg被光电导层5g吸收。因此，在吸收应被光电导层5r吸收的红色波长范围的光Hr时，光吸收层11可以起很好的作用。因此，如图3C所示，光吸收层11可以为半透明反射层，其对于较长波长范围(大约600nm或大于此波长)的红色光Hr具有较低的透射率T(％)，而通过该波长范围的光Hr的反射对于波长范围小于该波长范围的光具有较高的透射率T(％)。

如图2所示，分别与光电导层5r、5g和5b对应的电容器13连接到如此结构的光接收部分3。如图所示，电容器13是构图在形成于基底1的表面侧的p-井(P-well)扩散层14的表面上的N⁺扩散层15。每个这样的N⁺扩散层15连接有从分别夹有光电导层5r、5g和5b的两个半透明电极层7(附图中下面的透明电极层7)之一引出的引出电极17。

没有连接到引出电极17的其余的透明电极层7(附图中上面的透明电极层7)连接到共用电源Vp。借助这样的结构，在分别夹有光电导层5r、5g和5b的透明电极层7之间流动的光电流通过相应的电容器13作为光接收信号被引出，以用于存储。

在基底1的表面上，在N⁺扩散层15与基底1的表面之间设置有另一扩散层，该扩散层起电荷转移区(未示出)的作用，并具有充当通道区的间距d。基底1的通道区的上面部分设置有对应于各N⁺扩散层15的读取门19。在电荷转移区上方，设置有转移电极21，从而构成固态成像器件。这里，转移电极21通过未示出的绝缘层连接到读取门19。所形成的固态成像器件为光电导层叠层型单片彩色CCD固态成像器件。

就这种固态成像器件而言，当光H从最上面的透明电极层7进入到由层叠光电导层5r、5g和5b而获得的光接收部分3时，由于光-电转换，所以通过光电导层5r、5g和5b可观察到按波长增长顺序从较短的波长范围到较长的波长范围光的吸收。在这种情况下，最上面的光电导层5b具有能够吸收蓝色波长范围的光Hb的厚度tb。因此，从顶部的透明电极层7进入的光H之中，蓝色波长范围的光Hb被顶部的光电导层5b吸收。而且，由于用于只反射蓝色波长范围的光Hb的半透明反射层9b设置在光电导层5b之下，没有被光电导层5b完全吸收的光Hb被半透明反射层9b反射，然后再次进入光电导层5b，以被该层吸收。

与没有设置这样的半透明反射层9b的情况相比，对于蓝色波长范围的光Hb，光电导层5b呈现出较好的吸收率。此外，即使没有被光电导层5b完全吸收，蓝色波长范围的残余光Hb也不会漏进位于下面的光电导层5g和5r。因此，能可靠地实现对蓝色波长范围的光Hb的色彩分离。

位于光电导层5b下面的光电导层5g只接收蓝色波长范围的光Hb之外的光。该光电导层5g具有吸收绿色波长范围的光Hg的厚度tg。因此，进入其中的光H中的绿色波长范围的光Hg被光电导层5g吸收。而且，由于半透明反射层9g设置在光电导层5g之下，用于只反射绿色波长范围的光Hg，所以即使没有被光电导层5g完全吸收，绿色波长范围的残余光Hg也能被半透明反射层9g反射，然后再次进入光电导层5g，以便在此吸收。

与没有设置这样的半透明反射层9g的情况比较，对于绿色波长范围的光Hg，光电导层5g呈现出较好的吸收率。此外，即使没有被光电导层5g完全吸收，绿色波长范围的残余光Hg也不会漏进位于下面的光电导层5r。因此，绿色波长范围的光Hg能被可靠地从不包含蓝色波长范围的光Hb的光中分离。

借助这样的结构，作为色彩分离的可靠结果，最下面的光电导层5r只接收不包含蓝色和绿色波长范围的光Hb和Hg的光，即只接收红色波长范围的光Hr和较长波长范围的光。最下面的光电导层5r具有吸收红色波长范围的光Hr的厚度，并且在其下面设置光吸收层11以吸收红色波长范围的光Hr。因此，即使没有被光电导层5r完全吸收，由于反射，红色波长范围的光Hr也不会漏进上面的光电导层5g和5b。

因此，与没有设置这样的光吸收层11相比，由于反射，能成功地防止色彩分离之后的红色波长范围的光Hr再次漏进上面的光电导层5g和5b。

如上所述，由于能成功地防止光电导层5r、5g和5b之间的漏光，所以如图4A的光谱特性曲线所示，从光电导层(蓝，绿和红)提取的光电流的波长峰值的半值幅宽变窄。因此，可有效改善光电导层中的分色性能。故而若考虑用这类光电流作为光接收信号，所得到的图象具有良好的色彩重现性。

另一方面，在具有图1的光接收部分的传统固态成像器件中，既不包括半透明反射层9g和9b、也不包括光吸收层11，应该被上面的光电导层吸收的波长范围的光将漏进下面的光电导层。结果，如图4B的光谱特性曲线所示，从光电导层(蓝，绿和红)提取的光电流都平缓地倾斜到达其波长峰值。这是因为光电导层中的分色性能较差所致。

另外，借助本实施方式的固态成像器件，如前面所述，被位于光电导层5g和5b之下的半透明反射层9g和9b反射的任何光同样很好地用于光-电转换。因此，与没有包括半透明反射层9g和9b的传统结构比较，能够很好地改善感光性。由于具有良好的感光性，即使减小光电导层5g和5b的层厚度，在期望的薄的光接收部分也能顺利地得到所述的感光特性。

再者，借助于使每个光电导层5r、5g和5b夹在透明电极层7中间的结构，可以驱动光电导层5r、5g和5b，致使电荷能同时读到相应的电容器13中。

下面将描述如何利用简单的结构型式在图2的固态成像器件中获得良好的分色特性和感光性。

在此假设构造成光接收部分3的光电导层5r、5g和5b都由相同的材料(光吸收系数α)构成，光电导层5r、5g和5b的厚度大概分别为tr、tg和tb，并且透明电极层7几乎观察不到光吸收或反射。进入光接收部分3的光H的强度假设为Io。借助这些假设，在与光接收部分3的表面具有距离(深度)x的位置处的光H的电荷e的产生率表示为：

g(x)＝Ioλ/hc×α×exp(-αx)(其中h表示普朗克(Planck)常数，c表示光速。)

传统结构中，流过位于离开表面(距离0)的蓝色光电导层5b的电流J表示为：

J1＝-q·INT[g(x)]＝-q Ioλ/hc·(1-exp(-αx))       ...(1)

这里，INT表示从0到tb的距离的积分。

另一方面，本发明结构中，电流J被近似成使得设置在蓝色和绿色光电导层5b和5g之间的半透明反射层9b反射100％的蓝色波长范围的光Hb，并且使100％的较长波长范围的任意光通过…(2)。

将光电流J1ref作为通过半透明反射层9b的蓝色波长范围的光Hb反射的结果，光电流J1ref＝kb·J1·exp(-αtb)…(3)。注意，在此考虑到(2)，K为Kb＝1(λ＜＝λbg)，且Kb＝0(λ＞λbg)。也就是说，与传统结构相比，从表达式(3)，通过在蓝色波长范围的吸收能获得较大的光电流。

此分量不参加(混合)下面绿色光电导层5g中的光-电转换，因而得到较高的色彩分辨率。也就是说，对于传统结构，作为中间层的绿色光电导层5g中的光-电转换可能引起蓝色波长范围的光Hb从上面的光电导层5b泄漏。反之，本发明的结构，蓝色波长范围的光Hb被半透明反射层9b适当地切断。

与上面类似，由于绿色光电导层5g下面的半透明反射层9g中绿色波长范围的光Hg的反射部分，所以本发明的结构，除与上面类似外还能够得到良好的感光性。这样，蓝色光Hb和绿色光Hg将作为反射成分，并且这些光Hb和Hg不混合进入底部的光电导层5r。这样，在光电导层5r中，红色波长范围的光Hr主要用于光-电转换。

注意，在上面的实施方式中，光吸收层11设置在红色光电导层5r的下面。如果红色波长范围的光Hr较弱，作为光吸收层11的替换，可以设置反射红色波长范围的光Hr的反射层。如果是这种情况，更多的红色波长范围的光Hr可以通过光电导层5r进行光-电转换，从而增强了红色波长范围的光的强度。在这种情况下，借助于位于底部的光电导层5r，被设置在其下面的反射层反射的光能参加光-电转换。因此，与图1的传统结构比较，即使光电导层5r的厚度减小，也能很顺利地获得所述感光性能，从而得到期望的较薄的光接收部分。

另外，用于红色的光电导层5r不一定需要设置光吸收层11或反射层。如果红色波长范围的光Hr泄漏到上面的层不会引起不良影响，则不需要包括这样的层。如果是这种情况，在红色的光电导层5r之下可不设置半透明反射层7，那么形成在基底1上的扩散层可以用作下层的电极。

在上述实施方式中，描述了将本发明用于CCD固态成像器件的情况。显然本发明并非限制于此，本发明的固态成像器件还可用于MOS型(CMOS传感器)固态成像器件。如果是这种情况，则作为图2的下面的转移电极21和电荷转送区的替换，可以将连接到读取门19上的导线和驱动电路设置在基底1和其表面层上。

如前所述，根据本发明的固态成像器件，在光电导层叠层型单片彩色固态成像器件中，在光电导层之间设有具有用于反射预定波长范围中任何光的半透明反射层的透明电极层，使得较长波长的任何光通过。这样，半透明反射层用于只反射未被上面的光电导层吸收的光之中的任意特定波长范围的光，并具有被上面的光电导层再次吸收的光。这样的结构可防止特定波长范围的光泄漏到下面的光电导层，从而提高了色彩分辨率，并改善了色彩再现性。此外，在上面的光电导层中，被反射的光参加光-电转换，因此提高了量子效率，从而提高了感光性。

Claims (8)

1.一种固态成像器件，其中在一与象素相应设置的基底上设置有一光接收部分，该光接收部分由叠层层叠构成，每一叠层包括一光电导层和一位于其上的透明电极层，其中，

设置在所述光电导层之间的所述透明电极层具有一半透明反射层，借助该半透明反射层反射预定波长范围的光，而使长波长侧的光通过。

2.根据权利要求1所述的固态成像器件，其中，

在所述基底和所述光电导层之间，从所述基底一侧依次设置一用于吸收通过所述多层光电导层的光的光吸收层和一下部透明电极层。

3.根据权利要求1所述的固态成像器件，其中，

在所述基底和所述光电导层之间，从所述基底一侧依次设置一用于反射通过所述多层光电导层的光的反射层和一下部透明电极层。

4.根据权利要求1所述的固态成像器件，其中，

所述光电导层的层厚度朝所述上面层减小，以及

由所述半透明反射层反射的预定波长范围被设定为朝所述上面层越来越短。

5.根据权利要求4所述的固态成像器件，其中，

位于中间和最下面的所述光电导层的每一层具有的层厚度足以吸收进入该层并被位于其下面的所述层反射的光。

6.根据权利要求1所述的固态成像器件，其中，

所述透明电极层与一电容器相连，以读取累积在每一所述光电导层的电荷用以存储。

7.一种固态成像器件，包括：

一第一光-电转换层；

一形成在所述第一光-电转换层之上的第二光-电转换层；

一形成在所述第二光-电转换层之上的第三光-电转换层，其中，

在所述第一光-电转换层和所述第二光-电转换层之间形成有一第一半透明层，及

在所述第二光-电转换层和所述第三光-电转换层之间形成有一第二半透明层。

8.根据权利要求7所述的固态成像器件，其中，

处理来自所述第一、第二和第三光-电转换层的信号，及

在成象区域内产生用于象素的彩色信号。

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