專利名稱：集成波導(dǎo)及設(shè)計(jì)集成波導(dǎo)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明揭示一種集成波導(dǎo)，其包括一構(gòu)造成通過一第一主表面接收一第一電磁場分布并具有一第二主表面的介電結(jié)構(gòu)，其中所述第一電磁場分布在所述介電結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生一第二電磁場分布。所述波導(dǎo)進(jìn)一步包括在所述介電結(jié)構(gòu)中設(shè)置于所述第一主表面與所述第二主表面之間的至少一個金屬元件，所述至少一個金屬元件構(gòu)造并定位成實(shí)現(xiàn)所述第二電磁場分布，以增加入射到所述第二主表面的一所選區(qū)域上的所述第二電磁場分布的量。
背景技術(shù)：
成像技術(shù)是將圖像轉(zhuǎn)換為代表性信號的科學(xué)。成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域中，包括商業(yè)市場、消費(fèi)市場、工業(yè)市場、醫(yī)療市場、國防市場及科學(xué)市場。多數(shù)圖像傳感器是基于硅的半導(dǎo)體器件，其使用一像素陣列來捕捉光，其中每個像素均包括某種類型的光電探測器(例如光電二極管或光電門)來將入射到光電探測器上的光子轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電荷。CCD(電荷耦合器件)和CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器是得到最廣泛認(rèn)可和使用的基于半導(dǎo)體的圖像傳感器類型。
圖像傳感器產(chǎn)生高質(zhì)量圖像的能力取決于圖像傳感器的光靈敏度，而圖像傳感器的光靈敏度又取決于其像素的量子效率(QE)和光效率(OE)。圖像傳感器通常用其QE或其像素QE來規(guī)定，像素QE通常定義為像素的光電探測器將入射到光電探測器上的光子轉(zhuǎn)換為電荷的效率。像素的QE通常受限于工藝技術(shù)(即硅的純度)和所使用光電探測器的類型(例如，光電二極管或光電門)。然而，不管像素的QE如何，對于入射到像素上的將轉(zhuǎn)換為電荷的光來說，其必須到達(dá)光電探測器。由此可知，本文所討論的OE是指像素將光子自像素表面轉(zhuǎn)移至光電探測器的效率，且定義為入射到光電探測器上的光子數(shù)量與入射到像素表面的光子數(shù)量的比率。
至少有兩個因素可顯著影響像素的OE。第一，像素在陣列中相對于主裝置中任一成像光學(xué)器件(例如，數(shù)字相機(jī)中的透鏡系統(tǒng))的位置可影響像素的OE，因?yàn)樗绊懝馊肷涞较袼乇砻娴慕嵌?。第二，像素探測器相對于像素結(jié)構(gòu)的其它元件的幾何排列可影響像素的OE，因?yàn)槿绻麡?gòu)造不當(dāng)，這些結(jié)構(gòu)元件可對光自像素表面?zhèn)鞑ブ凉怆娞綔y器產(chǎn)生不利影響。后者對于通常包括有源組件(例如每一像素內(nèi)的復(fù)位及訪問晶體管及相關(guān)的互連電路和選擇電路)的CMOS圖像傳感器而言尤其正確。某些類型的CMOS圖像傳感器進(jìn)一步包括每一像素內(nèi)的放大及模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。
人們已經(jīng)做出某些努力對光電探測器相對于像素結(jié)構(gòu)中其它元件的排列進(jìn)行光學(xué)建模，以預(yù)測入射光將如何穿過像素并由此確定將使入射到像素上的大多數(shù)光到達(dá)光電探測器的像素構(gòu)造。然而，這些努力通常依賴于并不能在圖像傳感器規(guī)模上對光的行為進(jìn)行精確建模的標(biāo)準(zhǔn)幾何光學(xué)，例如射線跟蹤技術(shù)。隨著技術(shù)的按比例縮放且像素元件變得與光波長相當(dāng)(例如以深亞微米技術(shù)構(gòu)建而成的CMOS圖像傳感器)，這一點(diǎn)尤其正確。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面中，本發(fā)明提供一種集成波導(dǎo)。所述集成波導(dǎo)包括一構(gòu)造成通過一第一主表面接收一第一電磁場分布且具有一第二主表面的介電結(jié)構(gòu)，其中所述第一電磁場分布在所述介電結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生一第二電磁場分布。該波導(dǎo)進(jìn)一步包括在介電結(jié)構(gòu)中設(shè)置于第一主表面與第二主表面之間的至少一個金屬元件，所述至少一個金屬元件構(gòu)造并定位成實(shí)現(xiàn)第二電磁場分布以增加入射到第二主表面中所選區(qū)域上的第二電磁場分布的量。


參照如下附圖可更好的理解本發(fā)明的實(shí)施例。附圖中的元件未必相互成比例。相同的參考數(shù)字指示對應(yīng)的相同部分。
圖1是一方框圖，其大體顯示一根據(jù)本發(fā)明使用電磁場模擬技術(shù)構(gòu)建而成的圖像傳感器的一實(shí)施例。
圖2A是一示意性方框圖，其大體顯示一有源像素傳感器的一實(shí)施例。
圖2B顯示圖2A中有源像素傳感器的一實(shí)例性布局。
圖3是一有源像素傳感器的剖面的說明性實(shí)例。
圖4是一顯示根據(jù)本發(fā)明的集成波導(dǎo)的一實(shí)施例的示意圖。
圖5是一有源像素傳感器的剖面的說明性實(shí)例，該有源像素傳感器具有一經(jīng)構(gòu)造以形成集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。
圖6是一有源像素傳感器的剖面的說明性實(shí)例，該有源像素傳感器具有一經(jīng)構(gòu)造以形成集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。
圖7是一流程圖，其顯示一用于確定一優(yōu)化像素光效率的像素構(gòu)造的過程的一實(shí)施例。
圖8A顯示使用電磁場模擬技術(shù)模擬的入射光通過一實(shí)例性像素的傳播。
圖8B顯示使用電磁場模擬技術(shù)模擬的入射光通過一實(shí)例性像素的傳播。
圖9是一流程圖，其顯示一用于確定一優(yōu)化所選像素性能標(biāo)準(zhǔn)的像素構(gòu)造的過程的一實(shí)施例。
圖10A顯示一實(shí)例性像素的一部分的剖面。
圖10B是一曲線圖，其顯示使用幾何模擬技術(shù)及電磁場模擬技術(shù)在圖10A所示像素的襯底上得到的光強(qiáng)。
具體實(shí)施例方式
在下文的具體實(shí)施方式
中，將參照構(gòu)成本文一部分的附圖，附圖中以例解方式顯示其中可實(shí)施本發(fā)明的具體實(shí)施例。就此而論，參照所述附圖的取向來使用諸如“頂部”、“底部”、“前部”、“后部”、“前面的”、“后面的”等方向性術(shù)語。因?yàn)楸景l(fā)明實(shí)施例的組件可按許多不同的取向定位，所以所使用的方向性術(shù)語是用于例解而絕非限定目的。應(yīng)了解，也可利用其它實(shí)施例并可作出結(jié)構(gòu)或邏輯上的改變，此并不背離本發(fā)明的范圍。因此，下文的具體實(shí)施方式
不應(yīng)視為具有限定性意義，且本發(fā)明的范圍是由隨附權(quán)利要求書界定。
圖1是一方框圖，其大體顯示一互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)有源像素圖像傳感器(APS)30的一實(shí)施例，該互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)有源像素圖像傳感器(APS)30包括一由在硅襯底35上形成并根據(jù)電磁場模擬技術(shù)構(gòu)建而成的像素34構(gòu)成的焦平面陣列32。APS 30包括控制器36、行選擇電路38、及列選擇及讀出電路40。陣列32布置成復(fù)數(shù)個行和列，每行像素34通過行信號總線42耦接至行選擇電路38且每列像素34通過輸出線44耦接至列選擇及讀出電路40。如圖1所大體所示，每個像素34包括一光電探測器46，一電荷轉(zhuǎn)移部分48及一讀出電路50。光電探測器46包括一用于將入射光子轉(zhuǎn)換為電子的構(gòu)件，例如，光電二極管或光電門。
CMOS圖像傳感器30由控制器36操作，控制器36通過經(jīng)由行選擇電路38和列選擇及讀出電路40分別選擇并激活合適的行信號線42及輸出線44來控制讀出在積分期間由像素34所積聚的電荷。通常，像素34的讀出是一次執(zhí)行一行。就此而言，一所選行中的所有像素34是通過其對應(yīng)的行信號線42同時激活，且所激活的行中的像素34所積聚的電荷是通過由列選擇及讀出電路40激活輸出線44來讀出。
圖2A是一示意性方框圖，其大體顯示APS(例如，圖1中的APS 34)的一實(shí)施例。APS 34包括光電探測器46、電荷轉(zhuǎn)移部分48及讀出電路50。電荷轉(zhuǎn)移部分48進(jìn)一步包括一轉(zhuǎn)移門52(有時稱為訪問晶體管)、一浮動擴(kuò)散區(qū)54及一復(fù)位晶體管56。讀出電路50進(jìn)一步包括一行選擇晶體管58及一源跟隨晶體管60。
控制器36通過經(jīng)由行信號總線42a提供復(fù)位、訪問及行選擇信號而使APS 34以兩種模式工作積分模式和讀出模式，如圖所示，行信號總線42a包括一單獨(dú)的復(fù)位信號總線62、訪問信號總線64及行選擇信號總線66。盡管僅顯示一個像素34，但行信號總線62、64及66延伸穿過一給定行的所有像素，而且圖像傳感器30的每行像素34都有其自身對應(yīng)的一組行信號總線62、64及66。像素34最初處于復(fù)位狀態(tài)，其中轉(zhuǎn)移門52及復(fù)位門56導(dǎo)通。在要開始積分時，復(fù)位晶體管56及轉(zhuǎn)移門52關(guān)斷。在積分周期期間，光電探測器46積聚光生電荷，光生電荷與入射到像素34上的光子通量62中穿過像素34的各部分在內(nèi)部傳播且入射到光電探測器46上的部分成比例。所積聚的電荷量代表射到光電探測器46上的光強(qiáng)。
在像素34積分達(dá)一所期望的周期后，行選擇晶體管58導(dǎo)通，且通過復(fù)位晶體管56的通路控制使浮動擴(kuò)散區(qū)54復(fù)位至一大約等于VDD 70的電平。然后，由列選擇及讀出電路40通過源極跟隨晶體管60和輸出線44a對該復(fù)位水平進(jìn)行采樣。隨后，轉(zhuǎn)移門52導(dǎo)通且所積聚的電荷自光電探測器42轉(zhuǎn)移至浮動擴(kuò)散區(qū)54。電荷轉(zhuǎn)移使浮動擴(kuò)散區(qū)54的電勢自其復(fù)位值(約為VDD 70)偏移至一由所積聚的光生電荷所決定的信號值。然后，由列選擇及讀出電路40通過源極跟隨晶體管60及輸出線44a對該信號值進(jìn)行采樣。信號值與復(fù)位值的差值與入射到光電探測器46上的光強(qiáng)成比例并構(gòu)成一圖像信號。
圖2B是圖2A所示的APS 34的一傳統(tǒng)布局的說明性實(shí)例。像素控制元件(即復(fù)位晶體管56、行選擇晶體管58、源極跟隨晶體管60)及相關(guān)互連電路(即信號總線62、64、66及相關(guān)晶體管連接)通常構(gòu)建于覆蓋一其中設(shè)置有光電探測器46的硅襯底的金屬層中。盡管可能有其它布局設(shè)計(jì)，但很明顯，不管布局設(shè)計(jì)如何，像素控制元件及相關(guān)互連電路總會占用APS 34中的大量空間。在每個像素中均包含模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換構(gòu)件的數(shù)字像素傳感器(DSP)中，這種空間耗費(fèi)甚至更大。
圖3是一傳統(tǒng)CMOS像素(例如APS 34)的一剖面的說明性實(shí)例。光電探測器46位于一形成像素底材的硅(Si)襯底70中。像素控制元件及相關(guān)互連電路大體顯示于72處且位于由多個介電絕緣層(SiO2)76隔開的多個金屬層74中。豎直的互連短柱或通路78電性連接位于不同金屬層74中的元件。一介電鈍化層78位于交錯的金屬層74及介電絕緣層76上。一包含抗蝕材料的濾色片層80(例如，拜耳圖案中的紅色、綠色或藍(lán)色)位于鈍化層78上。為提高感光度，通常在像素上沉積一包含介電材料(例如，SiO2)的穹頂形微透鏡82，以使入射到像素上的光朝光電探測器46改向。微透鏡82可通過改善入射光子撞擊光電探測器的角度來有效地增加像素的“填充因數(shù)”。“填充因數(shù)”通常定義為感光區(qū)與像素總面積的比率。上文中描述的各像素元件在下文中一起統(tǒng)稱為像素結(jié)構(gòu)。
如前所述，像素的感光度受光電探測器相對于像素結(jié)構(gòu)其它元件的幾何排列的影響，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)可影響光自像素表面至光電探測器的傳播(即光效率)。實(shí)際上，光電探測器的尺寸及形狀、自光電探測器到像素表面的距離、和控制電路及互連電路相對于光電探測器的排列都可影響像素的OE。
傳統(tǒng)上，在使像素感光度最大化所作的努力中，圖像傳感器設(shè)計(jì)人員已憑直覺嘗試使光電探測器與微透鏡之間的像素區(qū)域無金屬互連線，以便光不會受這些障礙物的“阻擋”。因此，設(shè)計(jì)人員通常在光電探測器和微透鏡之間形成一基于幾何光學(xué)的光路84，或光錐。光路84不含有金屬，而僅包括介電鈍化層78及多個介電絕緣層76。盡管圖中顯示為錐形性質(zhì)，但光路84也可有其它形狀。
然而，不管光路84的形狀如何，隨著技術(shù)向更小的形體尺寸按比例縮放，這一方法變得越來越難以實(shí)現(xiàn)，且像素結(jié)構(gòu)對光傳播的影響可能會增加。
人們已經(jīng)做出努力對像素結(jié)構(gòu)和入射光進(jìn)行光學(xué)建模，以便模擬像素結(jié)構(gòu)將如何影響入射光通過像素的光路。一種方法是擴(kuò)展幾何射線跟蹤技術(shù)(例如，Zemax)的使用，該技術(shù)通常用于對位于圖像傳感器前面的成像鏡頭(例如數(shù)字相機(jī)的鏡頭)進(jìn)行建模。透過這種“幾何的”方法，對微透鏡的折射特性進(jìn)行建模，且使用具有一定反射性質(zhì)的小“障礙物”來代表像素控制元件及互連，并將這些“障礙物”放置在微透鏡與代表光電探測器的平面之間。然后，“跟蹤”代表入射光的射線以預(yù)測其通過像素的光路。該方法的結(jié)果大體表明這些障礙物將基本上僅在光電探測器平面處產(chǎn)生幾何陰影。
雖然幾何方法可足以對成像鏡頭進(jìn)行建模，但是它并不對入射光與像素結(jié)構(gòu)的金屬元件之間的電磁相互作用進(jìn)行建模。這種電磁相互作用會明顯影響光在像素中的傳播，尤其當(dāng)技術(shù)按比例縮放且像素元件變得與光的波長相稱時——如同使用深亞微米技術(shù)構(gòu)建的CMOS圖像傳感器那樣。在這種規(guī)模上，亞波長金屬元件(例如互連導(dǎo)線)的電磁剖面與其幾何外形不同。
另一種稱為相空間(PS)方法的建模方法是基于標(biāo)量衍射理論，其將光描述為場而非射線。然而，雖然PS方法比上述幾何方法提供對光的波性質(zhì)的更精確描述，但是未將光的矢量性質(zhì)考慮在內(nèi)。PS方法基于標(biāo)量理論且忽略電場及磁場分量。PS方法假設(shè)這些場分量不相互作用，且兩個場分量中任意一個都能適當(dāng)?shù)貙膺M(jìn)行描述。PS方法的實(shí)例性教示可見于如下公開案中美國光學(xué)學(xué)會志A輯(J.Opt.Soc.Am.A)中2002年8月第19卷第8期第1610-1620頁上的Peter B.Catrysse與Brian A.Wandell所著的“圖像傳感器像素的光效率(Opticalefficiency of image sensor pixels)”。
圖4是一方框圖，其顯示根據(jù)本發(fā)明的集成波導(dǎo)100的一個實(shí)施例。集成波導(dǎo)100使用電磁場模擬技術(shù)構(gòu)建而成，該電磁場模擬技術(shù)對由入射光與集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間的相互作用所產(chǎn)生的電磁場分布進(jìn)行模擬。電磁場模擬技術(shù)將在下文中進(jìn)行更詳細(xì)地討論。
集成波導(dǎo)100包括一第一表面102、一第二表面104、及在介電結(jié)構(gòu)中設(shè)置于第一表面102與第二表面104之間的復(fù)數(shù)個金屬元件106。集成波導(dǎo)100構(gòu)造成通過第一表面102接收第一電磁場分布110，該第一電磁場分布110在介電結(jié)構(gòu)108中產(chǎn)生第二電磁場分布。金屬元件106構(gòu)造并定位成實(shí)現(xiàn)第二電磁場分布以增加入射到第二表面104中所選區(qū)域上的第二電磁場分布的量。如圖所示，在一個實(shí)施例中，電磁場分布110包含一個或多個波長的可見光，所述一個或多個波長的可見光與第一表面102成一或多個入射角并具有一個或多個偏振。因此，在一個實(shí)施例中，金屬元件106構(gòu)造并定位成使光110的一原本將不入射于所選區(qū)域112上的所選部分改向至所選區(qū)域112。
在一個實(shí)施例中，光110中由金屬元件106改向的入射到第一表面102上的所選部分包括具有一給定波長的光，例如550納米(即綠光)的光。在一個實(shí)施例中，光110的所選部分包括大體處于一給定波長范圍內(nèi)的光，例如525納米至575納米的光。在一個實(shí)施例中，光110中由金屬元件106改向的所選部分包括與第一表面102具有一給定入射角的光。在一個實(shí)施例中，光110中由金屬元件106改向的所選部分包括入射角處于一給定范圍內(nèi)的光。
如圖所示，在一個實(shí)施例中，各金屬元件106形成為具有所期望的幾何形狀，且在第一表面102與第二表面104之間既相對于彼此又相對于所期望區(qū)域112垂直及水平地定位，以便形成所期望的電磁場分布。此外，盡管集成波導(dǎo)100在圖4中大體顯示為一立方體，但是介電波導(dǎo)100可構(gòu)造成任意數(shù)量的三維形狀(例如，圓柱形、圓錐形等)。
圖5是一顯示根據(jù)本發(fā)明的像素的一個實(shí)施例(例如APS 34)的剖面圖，其中像素控制元件和互連電路72定位在APS 34內(nèi)，以形成一集成波導(dǎo)來提高像素的光效率。與傳統(tǒng)知識相反，像素控制元件和互連電路72的位置非常接近光電探測器46。實(shí)際上，如圖所示，在一個實(shí)施例中，像素控制元件和互連電路的一部分位于傳統(tǒng)上本來無金屬的光路84內(nèi)。將像素控制元件和互連電路72構(gòu)造并定位在光電探測器46與微透鏡82之間以形成一電磁場分布，該電磁場分布有選擇地將入射到微透鏡82上的光122中原本將不入射到光電探測器46上的至少一部分光120改向至光電探測器46。通過定位像素控制元件和互連電路72以穿過介電層74和金屬層76形成一使光120改向至光電探測器46的集成波導(dǎo)，APS 34的光效率會得到提高。
圖6是一顯示根據(jù)本發(fā)明使用集成波導(dǎo)技術(shù)構(gòu)建而成的像素的另一實(shí)施例(例如APS 34)的剖面圖。如圖所示，復(fù)數(shù)個金屬元件124(圖中示出四個)設(shè)置在光電探測器46與微透鏡82之間傳統(tǒng)上本來無金屬的光路84中，所述復(fù)數(shù)個金屬元件彼此電絕緣且與像素控制元件和互連電路72電絕緣。電氣元件124相對于彼此并相對于光電探測器46構(gòu)造并定位以形成一電磁天線126，該電磁天線形成一電磁場分布，該電磁場分布有選擇地將入射到微透鏡82上的光122中原本將不入射到光電探測器46上的一部分光120改向至光電探測器46。同樣，與保持光路無“障礙物”的傳統(tǒng)知識相反，將電磁天線126定位成穿過介電層和金屬層74及76形成一集成波導(dǎo)，會通過將光120改向至光電探測器46來提高APS 34的光效率。在一個實(shí)施例中，金屬元件124未與像素控制元件和互連電路72電絕緣，而是包括像素控制元件和互連電路72的非載流附件。
盡管主要是就CMOS技術(shù)來進(jìn)行說明，但是必須注意，本文所述的本發(fā)明電磁場模擬技術(shù)也同等地適用于其它類型的固態(tài)圖像傳感器，例如CCD型圖像傳感器。
圖7是一流程圖，其顯示一使用電磁場模擬技術(shù)來確定一可提高或大體上優(yōu)化像素光效率的像素構(gòu)造的過程140的一實(shí)施例。工藝140在步驟142處開始，在步驟142中，確定所提出像素的結(jié)構(gòu)的初始構(gòu)造或布局，例如圖2A和圖2B所顯示的APS 34的布局。步驟144、146及148涉及電磁場模擬工具及/或通過電磁場模擬工具實(shí)施，如在150處所示。
電磁場模擬工具(EFST)150包含一數(shù)值方法來對電磁場問題進(jìn)行求解和模擬。存在幾種用于實(shí)施這種模擬的習(xí)知方法，包括有限元方法(FEM)、有限差分頻域方法(FDFD)、及有限差分時域方法(FDTD)。雖然可開發(fā)原始軟件代碼來實(shí)現(xiàn)這種電磁場模擬工具，但是存在幾種市售產(chǎn)品。吾人發(fā)現(xiàn)一種尤其合適的這種市售產(chǎn)品是位于加拿大渥太華的Optiwave公司所制造的OptiFDTD。顧名思義，OptiFDTD產(chǎn)品使用有限差分時域方法來實(shí)施電磁場模擬。在本說明書的下文中，所提及的EFST 150是指OptiFDTD模擬工具。
在步驟144中，將實(shí)施模擬所需要的數(shù)據(jù)輸入EFST 150。將來自步驟142的初始像素結(jié)構(gòu)的三維幾何模型輸入EFST 150。除對像素進(jìn)行幾何建模外，在步驟144中還輸入像素結(jié)構(gòu)中每個組件的材料性質(zhì)。FDTD方法基本對三種類型的材料進(jìn)行建模例如水等永久性偶極子材料，介電材料，及導(dǎo)電材料。有許多習(xí)知模型可用于描述這些材料的性質(zhì)，例如用于導(dǎo)電性材料的Drude模型，及用于有損耗的介電材料的Lorentz模型。用于對像素結(jié)構(gòu)的幾何形狀及材料性質(zhì)進(jìn)行建模的方法、方式及技術(shù)可視所使用的具體EFST而異。此外，在步驟144中輸入代表所選光源(一激勵輸入)類型的數(shù)據(jù)，該光源將被模擬為入射到所提出的像素上。視所使用的EFST而定，可對入射光的各種特性進(jìn)行建模例如光源是一連續(xù)波源或一脈沖源、中心波長、光源與像素結(jié)構(gòu)之間的入射角、及幅值。最后，為所提出的像素構(gòu)造界定一代表像素的光電探測器的平面觀察區(qū)/空間。
在步驟146中，EFST 150對在步驟144中輸入的像素構(gòu)造、材料性質(zhì)、所選入射光源、及光電探測器區(qū)實(shí)施電磁場模擬達(dá)一所選持續(xù)時間。EFST 150通過根據(jù)FDTD方法計(jì)算電場及磁場與時間的關(guān)系來對所選入射光源穿過所建模像素結(jié)構(gòu)的電磁場傳播進(jìn)行模擬。
在步驟148中，EFST 150根據(jù)在步驟146的模擬期間所獲取的電場及磁場數(shù)據(jù)來計(jì)算所建模像素的OE(光效率)。如上文所述，OE是入射到像素表面上的光譜輻照度與入射到像素的光電探測器上的光譜輻照度的比率，其是一個隨波長改變的光譜量。光譜輻照度定義為每單位面積每波長的所接收光功率。使用FDTD方法，EFST 150通過根據(jù)所獲得的電場及磁場數(shù)據(jù)計(jì)算輸入平面處的一坡印亭(Poynting)矢量及光電探測器平面處的一坡印亭矢量來確定OE。這些坡印亭矢量的比率即包含所建模像素的OE。對上文所述計(jì)算OE的方法的更詳細(xì)討論可見如下公開案中Peter B.Catrysse及Brian A.Wandell的“0.18-μm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)的集成彩色像素(Integrated color pixels in 0.18-μmcomplementary metal oxide semiconductor technology)”，J.Opt.Soc.Am.A，2003年12月，第20卷，第12號，第2293-2306頁。
在一個實(shí)施例中，在計(jì)算OE之后，過程140進(jìn)行至步驟152，在步驟152中評估所計(jì)算出的OE。如果所計(jì)算出的OE等于或大于期望值，則認(rèn)為所建模像素的構(gòu)造是可接受的，因而過程140完成，如154處所示。而若所計(jì)算出的OE小于期望值，則在步驟156中重新構(gòu)造像素結(jié)構(gòu)的幾何布局。這種重新構(gòu)造可僅涉及將像素結(jié)構(gòu)的所選元件相對于光電探測器重新定位，或者可涉及增加自所需像素結(jié)構(gòu)的凸起或增加與所需像素結(jié)構(gòu)電絕緣的金屬元件。在一個實(shí)施例中，也可調(diào)整材料性質(zhì)以模擬對所選系統(tǒng)組件及絕緣的金屬元件使用替代材料。
在步驟144中將所重新構(gòu)造的像素的幾何形狀及/或材料性質(zhì)輸入EFST 150。EFST 150在步驟146及148中為所重新構(gòu)造的像素實(shí)施電磁場模擬及OE計(jì)算。在步驟152中，評估所計(jì)算出的OE，且重復(fù)上述過程直到確定出一具有大于期望值的所計(jì)算OE的像素構(gòu)造為止。通過使用上述過程140，可以在實(shí)際制造像素之前設(shè)計(jì)并模擬一具有所期望OE的像素布局。
圖8A和圖8B是由OptiFDTD工具提供的曲線輸出，其顯示入射光通過所建模像素結(jié)構(gòu)的模擬傳播。圖7A和圖7B顯示根據(jù)本發(fā)明的電磁場模擬進(jìn)行的實(shí)例性模擬，其展示金屬元件或?qū)Ь€對入射光通過像素傳播的影響。
圖8A顯示入射光172通過一豎直平面自一實(shí)例性像素的像素表面?zhèn)鞑ブ凉怆娞綔y器(即一豎直剖面)的模擬傳播，類似于圖3所示的APS 34，該實(shí)例性像素在光路中沒有金屬元件。因此，所模擬的像素包括微透鏡層82、濾色片層80、鈍化層78、交錯的金屬及絕緣層74及76(共同指示為層170)、及硅襯底70中的光電探測器46。在該模擬中，入射光172包括一以斜入射光撞擊微透鏡層82的連續(xù)光源(與脈沖光源相反)。由于斜入射光172自微透鏡層82大體朝硅襯底70傳播穿過像素，因而，顯然入射光172的一大部分入射不到光電探測器46上。
圖8B顯示斜入射光172通過與圖8A中的模擬所使用的相同像素的模擬傳播，只是將該像素建模成進(jìn)一步包括定位于光電探測器46與微透鏡層82之間的電絕緣的電磁天線126，此類似于圖6顯示的APS 34。在該模擬中，當(dāng)斜入射光172傳播穿過APS 34時，與電磁天線126的電磁相互作用使入射光132的原本將不入射于光電探測器46上的至少一部分改向至光電探測器46。因此，與傳統(tǒng)知識相反，與保持介電隧道無金屬元件相比，在光路84內(nèi)非常接近光電探測器46處放置電磁天線126可提高APS 34的光效率。
上文中參照圖7所述的用于計(jì)算并提高像素光效率的電磁模擬技術(shù)可擴(kuò)展成提高及/或優(yōu)化其它與像素性能相關(guān)的客觀的或可測量的標(biāo)準(zhǔn)。這種性能標(biāo)準(zhǔn)包括像素響應(yīng)、像素顏色響應(yīng)(R、G、B響應(yīng))、及像素串?dāng)_。
像素響應(yīng)定義為在所定義的積分周期期間，像素的光電探測器所累積的電荷量。像素響應(yīng)可以由如下方程式I表示方程式IC1＝AT∫OE(λ)QE(λ)ED65(λ)dλ；其中C1＝像素響應(yīng)；A＝光電探測器面積；T＝積分周期；OE(λ)＝光效率的波長相依函數(shù)(如在圖7中步驟148處所計(jì)算)；QE(λ)＝光電探測器的量子效率的波長相依函數(shù)；及ED65＝代表目光(等價于色溫6500°K)的標(biāo)準(zhǔn)波長相依函數(shù)。
為計(jì)算像素響應(yīng)C1，方程式I在一波長范圍內(nèi)積分，例如在400-700納米范圍內(nèi)。C1值越大，像素響應(yīng)越好。雖然上述方程式I使用代表目光照度的標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)ED65，但是也可使用其它光源的波長相依函數(shù)，例如代表熒光或鎢光源的函數(shù)。在方程式I中顯示ED65函數(shù)是因?yàn)樗碓跍y試光學(xué)器件時通常使用的標(biāo)準(zhǔn)光源。
彩色圖像傳感器的像素陣列，例如圖1所顯示的像素陣列32，通常構(gòu)造成使陣列中每個像素均被分配用于檢測一種單獨(dú)的原色。通過在像素陣列上放置一濾色片陣列、使其中每個像素帶有一包含對應(yīng)于其所分配到的原色的關(guān)聯(lián)濾色片，即可實(shí)現(xiàn)這種分配。這樣一個濾色片由圖3中APS 34的濾色片層80顯示。當(dāng)光通過濾色片時，只有所分配到的原色的波長通過。人們已經(jīng)開發(fā)了許多濾色片陣列，但是一種常用的濾色片陣列是拜爾(Bayer)圖案。拜爾圖案使用由楔入綠色像素之間的紅色像素及楔入綠像素之間的藍(lán)色像素所構(gòu)成的交錯的行。因此，拜爾圖案的綠色像素是紅色像素或藍(lán)色像素的兩倍。拜爾圖案利用了人眼在界定清晰度時將綠光照明視為最強(qiáng)影響的偏好，且一使用拜爾圖案的像素陣列不管是水平取向還是豎直取向，都會提供大體相等的圖像檢測響應(yīng)。
當(dāng)設(shè)計(jì)一構(gòu)造用于檢測某個波長或某個波長范圍的像素(例如一構(gòu)成根據(jù)拜爾圖案布置的像素陣列的一部分且被分配用于檢測綠、藍(lán)、或紅光的像素)時，能確定像素對其所分配到的顏色的響應(yīng)將頗為有利。像素對所選顏色的顏色響應(yīng)可由如下方程式II表示方程式IIC2＝∫OEX(λ)QE(λ)ED65(λ)dλ；其中C2＝所選顏色X的像素響應(yīng)；OEX(λ)＝所選顏色或波長X(例如紅、綠或藍(lán))的光效率的波長相依函數(shù)；QE(λ)＝光電探測器的量子效率的波長相依函數(shù)；及ED65＝代表目光(等價于色溫6500°K)的標(biāo)準(zhǔn)波長相依函數(shù)。
為計(jì)算對所期望顏色X的像素顏色響應(yīng)C2，方程式II在一波長范圍內(nèi)積分，例如在代表可見光譜的400到700納米范圍內(nèi)積分。C2值越大，像素的顏色響應(yīng)越好。方程式II也使用標(biāo)準(zhǔn)化光源函數(shù)ED65，但是也可使用其它光源的其它波長相依函數(shù)，例如一代表熒光源的函數(shù)。
在彩色圖像傳感器中，術(shù)語“像素串?dāng)_”通常指像素響應(yīng)中的一部分或量，其歸因于入射到像素的光電探測器上且顏色(即波長)不同于像素所分配顏色的光。這種串?dāng)_是我們所不期望的，因?yàn)樗褂上袼仨憫?yīng)于其所分配的顏色而收集的電荷量失真。例如，來自可見光譜中紅色及/或藍(lán)色部分的光在碰撞“綠色”像素的光電探測器時，將導(dǎo)致像素所收集的電荷高于如果僅可見光譜中的綠色部分碰撞光電探測器時所收集的電荷。這種串?dāng)_可產(chǎn)生失真或假象，因此會降低所檢測圖像的質(zhì)量。像素的串?dāng)_可由如下方程式III表示方程式III
C3=∫λ∈GOEG(λ)QE(λ)ED65(λ)dλ∫λ∈GOER,B(λ)QE(λ)ED65(λ)dλ]]>C3＝像素串?dāng)_；OEG(λ)＝綠光光效率的波長相依函數(shù)；OER，B(λ)＝紅光和藍(lán)光的光效率的波長相依函數(shù)；QE(λ)＝光電探測器量子效率的波長相依函數(shù)；ED65＝代表日光(等價于色溫6500°K)的標(biāo)準(zhǔn)波長相依函數(shù)；及λεG＝表示在代表可見光譜中綠色部分的波長范圍內(nèi)的積分。
如圖所示，方程式III顯示綠色像素的像素串?dāng)_的計(jì)算。因此，分子表示對可見光譜綠色部分中的光的像素響應(yīng)，而分母表示對可見光譜紅色及藍(lán)色部分中的光的組合像素響應(yīng)。C3值越大，像素處的串?dāng)_越小。盡管該具體例示是顯示綠色像素的像素串?dāng)_的計(jì)算，然而方程式III也可很容易地修改成表示紅色及藍(lán)色像素的串?dāng)_。
方程式I、II、及III顯示與像素性能相關(guān)的OE相依標(biāo)準(zhǔn)的具體實(shí)例。除這些具體實(shí)例之外，還有許多與像素相關(guān)的其它OE相依的性能標(biāo)準(zhǔn)。圖9是一流程圖，其顯示一使用電磁場模擬來確定一可明顯地優(yōu)化像素的所選性能標(biāo)準(zhǔn)(例如在上文中由方程式I、II、及III所顯示的性能標(biāo)準(zhǔn))的像素構(gòu)造的過程180的一實(shí)施例。
始于步驟142的過程180的前四個步驟與圖7所顯示的計(jì)算OE的過程140的前四個步驟相同。步驟182、184及186由一計(jì)算碼(CC)188實(shí)施。雖然可以開發(fā)原始計(jì)算碼，但是存在幾種市售的計(jì)算碼。一種合適的計(jì)算碼是可自TheMath Work公司購得的MATLAB 6.5。
在步驟182中，CC 188自EFST 150接收所計(jì)算出的OE并使用對應(yīng)的OE相依函數(shù)計(jì)算一所選性能標(biāo)準(zhǔn)(Ci)。所選性能標(biāo)準(zhǔn)可包括由方程式I、II、及III分別描述的OE相依函數(shù)所表達(dá)的像素響應(yīng)(C1)、像素顏色響應(yīng)(C2)及像素串?dāng)_(C3)。如果當(dāng)前計(jì)算出的Ci值對應(yīng)于步驟142的初始像素構(gòu)造，那么過程180移向步驟184。
如果當(dāng)前計(jì)算出的Ci值不對應(yīng)于步驟142的初始像素構(gòu)造，那么將對應(yīng)于目前像素構(gòu)造的當(dāng)前計(jì)算出的Ci值與對應(yīng)于先前像素構(gòu)造的先前計(jì)算出的Ci值相比較。如果當(dāng)前計(jì)算出的Ci值表明所選性能標(biāo)準(zhǔn)相對于先前計(jì)算出的Ci值有所提高，那么過程180進(jìn)行至步驟184。
在步驟184中，使用一非線性優(yōu)化程序，該程序產(chǎn)生一使像素結(jié)構(gòu)中各元件具有新位置的重新構(gòu)造的像素結(jié)構(gòu)。這種非線性優(yōu)化程序的實(shí)例性教示可見于如下公開案中加利福尼亞圣地亞哥的美國學(xué)術(shù)出版社(Academic Press，Inc.)1981年出版的Philip E.Gill、Walter Murray及Margaret H.Wright的“實(shí)際優(yōu)化(Practical Optimization)”。在一個實(shí)施例中，重新構(gòu)造的像素結(jié)構(gòu)包括在像素結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置額外的電絕緣的金屬元件及/或設(shè)置必要像素組件的非載流金屬附件。在一個實(shí)施例中，重新構(gòu)造的像素結(jié)構(gòu)包括對像素結(jié)構(gòu)各部分所用材料的修改，且因此包括對像素結(jié)構(gòu)各部分的材料性質(zhì)的修改。在一個實(shí)施例中，重新構(gòu)造的像素結(jié)構(gòu)包括對必要像素組件的幾何形狀及/或電絕緣的金屬元件的幾何形狀的修改。同樣，盡管可以開發(fā)原始代碼，但是一種合適的商業(yè)代碼是MATLAB 6.5-Optimization Toolbox 2.2。
在產(chǎn)生所重新構(gòu)造的像素結(jié)構(gòu)后，過程180進(jìn)行至步驟186，其中CC 188自動將所重新構(gòu)造的像素結(jié)構(gòu)輸入EFST 150。EFST 150計(jì)算所重新構(gòu)造的像素結(jié)構(gòu)的OE并將計(jì)算出的OE提供至CC 188。在步驟182中，CC 188計(jì)算目前(重新構(gòu)造的)像素結(jié)構(gòu)的當(dāng)前Ci值，并將此當(dāng)前計(jì)算出的Ci值與一對應(yīng)于前一像素構(gòu)造的所存儲Ci值相比較。只要當(dāng)前計(jì)算出的Ci值表明所選性能標(biāo)準(zhǔn)相對于前一像素構(gòu)造的Ci值有所提高，則過程180繼續(xù)此優(yōu)化過程(步驟182、184、186、144、146、及148)。而當(dāng)當(dāng)前計(jì)算出的Ci值表明所選性能標(biāo)準(zhǔn)相對于前一像素構(gòu)造的Ci值變差時，該優(yōu)化過程停止且過程180進(jìn)行至步驟190，在步驟190中，指示對應(yīng)于前一Ci值的像素結(jié)構(gòu)為最適用于大體上優(yōu)化所選像素標(biāo)準(zhǔn)Ci的結(jié)構(gòu)。
雖然圖7和圖9中的過程140及180描述一種用于構(gòu)造一像素結(jié)構(gòu)以優(yōu)化一單個像素的所選性能標(biāo)準(zhǔn)的方法，但是過程140及180可分別應(yīng)用于陣列中的每個像素以優(yōu)化圖像傳感器(例如圖1中的APS 30)的性能。由于對陣列中的每個像素而言，入射光的角度是唯一的，因而可在過程140即180的步驟144中將對應(yīng)于每個像素的入射光的唯一特性輸入EFST 150。此外，陣列中每個像素均可具有一個設(shè)計(jì)成優(yōu)化一不同性能標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)造。例如，綠色通道像素可構(gòu)造為一可優(yōu)化其對來自可見光譜綠色部分的光的響應(yīng)的像素結(jié)構(gòu)，而紅色通道像素可構(gòu)造為一可優(yōu)化其對來自可見光譜紅色部分的光的響應(yīng)的像素結(jié)構(gòu)陣列。陣列中的其它像素可構(gòu)造為可使串?dāng)_最小化的結(jié)構(gòu)。因此，過程140及180使陣列中每個像素均具有唯一的結(jié)構(gòu)，從而陣列中所有像素的組合作用可優(yōu)化圖像傳感器性能的至少一方面。
除了上文所述的直接可測性能標(biāo)準(zhǔn)(例如方程式I、II、及III所顯示的那些性能標(biāo)準(zhǔn))外，CC 182也可構(gòu)造成優(yōu)化與人類視覺相關(guān)的性能標(biāo)準(zhǔn)。這種性能標(biāo)準(zhǔn)需要CC 182包括比色技術(shù)，例如C-IELAB及S-C-IELAB，比色技術(shù)使CC 182能夠計(jì)算用于對人類視覺進(jìn)行建模的OE相依函數(shù)，以便提供陣列中每個像素的像素構(gòu)造，從而使由像素陣列所提供的結(jié)果圖像對于人類視覺而言得到優(yōu)化?；谌祟愐曈X的最優(yōu)圖像可能并不對應(yīng)于基于直接可測性能標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)圖像。
所包含的圖10A及圖10B旨在顯示當(dāng)對由入射光光路中的金屬元件在一像素內(nèi)形成的“陰影”進(jìn)行模擬時，通過幾何分析技術(shù)(例如射線跟蹤)和電磁場模擬技術(shù)得到的結(jié)果的不同。圖10A是一顯示幾何及電磁場模擬二者所使用的簡化像素200的結(jié)構(gòu)的剖面圖。像素200包括一硅襯底202、一介電層204、及一金屬導(dǎo)線206。像素200是3.3μm像素，如208處所示。導(dǎo)線206的寬度210為0.28μm、深度212為0.475μm，且位于距硅襯底202的一表面2141.24μm處，如216處所示。
圖10B是一曲線圖220，其顯示在表面214處經(jīng)由介電層204自垂直于并入射到像素200上表面224上的光222接收到的光強(qiáng)。光強(qiáng)表示在y軸上，如226處所示，且沿硅襯底表面214的位置沿x軸顯示，如228處所示，其中零位置(如230處所示)對應(yīng)于像素200的中心。曲線232顯示根據(jù)幾何分析技術(shù)在表面214處的光強(qiáng)。如234處所示，幾何分析技術(shù)表明，導(dǎo)線206正下方的表面214處的光強(qiáng)為0，而穿過表面214的剩余部分的光強(qiáng)的值始終為1。如曲線232所展示，幾何分析技術(shù)預(yù)測，導(dǎo)線206將因在表面214上投射一簡單的幾何“陰影”而僅影響導(dǎo)線206正下方的表面214的光強(qiáng)。
曲線236及238顯示根據(jù)電磁場模擬，自表面224處的垂直入射光222到達(dá)表面214的光強(qiáng)。曲線236顯示在表面214處接收到的波長為550nm的綠光的光強(qiáng)，而曲線236顯示波長為650nm的紅光的光強(qiáng)。由曲線236及238可以明顯看到，根據(jù)電磁場模擬技術(shù)，導(dǎo)線206不投射一簡單的“陰影”，而是影響穿過表面214的整個寬度208的光強(qiáng)。曲線236及238表明，導(dǎo)線206在大體處于導(dǎo)線206下面的區(qū)域中使表面214上的光強(qiáng)減小最多，其還展示，導(dǎo)線206使光強(qiáng)在像素200的寬度上周期性地增大和減小，這種影響隨著與導(dǎo)線206距離的增加而變?nèi)?。此外，雖然圖9B僅包括對紅光和綠光的光強(qiáng)的例示，但是由曲線236和238可明顯看到，導(dǎo)線206對表面214上的光強(qiáng)的影響取決于入射光222的波長并隨著入射光222的波長變化。
總之，根據(jù)本發(fā)明的電磁場模擬技術(shù)通過將光的電磁性質(zhì)考慮在內(nèi)而對像素結(jié)構(gòu)對入射光穿過像素的傳播的影響進(jìn)行更精確地建模。通過使用這些技術(shù)，可自動確定并模擬像素構(gòu)造，以在制造圖像傳感器的像素或像素陣列之前優(yōu)化與像素性能相關(guān)的所選標(biāo)準(zhǔn)，從而在改善性能的同時降低設(shè)計(jì)成本。此外，這些技術(shù)可形成與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)相背的像素結(jié)構(gòu)，例如在像素表面與其相關(guān)光電探測器之間有意設(shè)置金屬元件，及非常接近光電探測器地設(shè)置金屬元件而非盡可能遠(yuǎn)地設(shè)置。
雖然本文中顯示和說明具體實(shí)施例，但是所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)了解，可使用許多種替代的及/或等價的實(shí)施方案來替換所顯示和說明的具體實(shí)施例，此并不背離本發(fā)明的范圍。本申請案旨在涵蓋對本文中所討論的具體實(shí)施例的任何修改或改變。因此，意圖使本發(fā)明僅由權(quán)利要求書及其等價內(nèi)容來限定。
權(quán)利要求
1.一種集成波導(dǎo)，其包括一介電結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造成通過一第一主表面接收一第一電磁場分布且具有一第二主表面，所述第一電磁場分布在所述介電結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一第二電磁場分布；及至少一個金屬元件，其設(shè)置于所述介電結(jié)構(gòu)中所述第一主表面與所述第二主表面之間，所述至少一個金屬元件經(jīng)構(gòu)造并定位以實(shí)現(xiàn)所述第二電磁場分布以增加所述第二電磁場分布中入射到所述第二主表面的一所選區(qū)域上的量。
2.如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中所述介電結(jié)構(gòu)包括一選自由固態(tài)介電材料及復(fù)數(shù)層介電材料組成的群組中的結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中所述第一及第二電磁場分布包括來自可見光譜的光。
4.如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中所述第二電磁場分布中入射到所述第二主表面的所述所選區(qū)域上的所述量的所述增加包括所述第二電磁場分布中大體對應(yīng)于具有一所選波長的光的一部分。
5.如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中所述第二電磁場分布中入射到所述第二主表面的所述所選區(qū)域上的所述量的所述增加包括所述第二電磁場分布中大體對應(yīng)于具有一所選波長范圍內(nèi)一波長的光的一部分。
6.如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中所述第二電磁場分布中入射到所述第二主表面的所述所選區(qū)域上的所述量的所述增加包括所述第二電磁場分布的一部分，所述部分大體對應(yīng)于入射到所述第一主表面上的與所述第一主表面的一入射角大體等于一所選入射角的光。
7.如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中所述第二電磁場分布中入射到所述第二主表面的所述所選區(qū)域上的所述量的所述增加包括所述第二電磁場分布的一部分，所述部分大體對應(yīng)于入射到所述第一主表面上的與所述第一主表面的一入射角處于一所選入射角范圍內(nèi)的光。
8.如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中所述第二電磁場分布中入射到所述第二主表面的所述所選區(qū)域上的所述量的所述增加包括所述第二電磁場分布的一部分，所述部分大體對應(yīng)于入射到所述第一主表面上的具有一或多次偏振的光。
9.一種像素，其包括一構(gòu)造成接收入射光的表面；一由一半導(dǎo)體襯底形成的包括一光電探測器的底材；一定位于所述表面與所述底材之間的介電結(jié)構(gòu)，其包括一第一部分，其包括所述介電結(jié)構(gòu)的一大體定位于所述光電探測器與所述表面之間的體積，且形成一構(gòu)造成將所述表面上的入射光的一部分傳送至所述光電探測器的光路；及一第二部分，其包括所述介電結(jié)構(gòu)處于所述光路外部的一剩余體積，且通常包括與所述像素的電操作相關(guān)的電路；及至少一個金屬元件，其構(gòu)造并定位成至少部分地位于所述光路內(nèi)，以增加通過所述光路傳送至所述光電探測器的所述入射光部分。
10.如權(quán)利要求9所述的像素，其中所述光路由一基于幾何光學(xué)的光錐來描述，所述光錐具有一接近所述表面的基部。
11.如權(quán)利要求9所述的像素，其中所述介電結(jié)構(gòu)包括一選自由固態(tài)介電材料及復(fù)數(shù)層介電材料組成的群組中的結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求9所述的像素，其中所述至少一個金屬元件與其它像素組件電絕緣。
13.如權(quán)利要求9所述的像素，其中與所述像素的電操作相關(guān)的所述電路至少部分位于所述光路內(nèi)，且其中所述至少一個金屬元件包含所述電路的一部分且通過定形所述電路的所述部分而形成。
14.如權(quán)利要求13所述的像素，其中所述至少一個金屬元件包括一所述電路的一電路互連元件的附件，其中所述附件不為所述電路的電操作所需。
15.如權(quán)利要求9所述的像素，其中與所述像素的電操作相關(guān)的所述電路至少部分位于所述光路內(nèi)，且其中所述至少一個金屬元件是通過定位所述電路的至少一部分而形成。
16.如權(quán)利要求9所述的像素，其中復(fù)數(shù)個金屬元件設(shè)置于所述光路中，所述金屬元件中每一金屬元件均構(gòu)造并定位于所述光路內(nèi)，以使所述復(fù)數(shù)個金屬元件一起增加通過所述光路傳送至所述光電探測器的所述入射光部分。
17.如權(quán)利要求9所述的像素，其中所述至少一個金屬元件構(gòu)造成具有一為增加通過所述光路傳送至所述光電探測器的所述入射光部分所需的形狀。
18.如權(quán)利要求9所述的像素，其中所述像素包括一選自由固態(tài)型像素、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體型像素及電荷耦合器件型像素組成的群組中的像素。
19.一種像素，其包括一構(gòu)造成接收入射光的主表面；一由一半導(dǎo)體襯底形成的包括一光電探測器的底材；一定位于所述主表面與所述底材之間的介電結(jié)構(gòu)；及至少一個設(shè)置在所述介電結(jié)構(gòu)中的金屬元件，所述至少一個金屬元件構(gòu)造并定位于所述介電結(jié)構(gòu)中，以使因所述入射光、所述介電結(jié)構(gòu)及所述至少一個金屬元件之間的相互作用而在所述介電結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的一電磁場分布選擇性地將所述入射光的一部分改向至所述光電探測器。
20.如權(quán)利要求19所述的像素，其中所述至少一個金屬元件至少部分位于一光路內(nèi)，所述光路包括所述介電結(jié)構(gòu)的一大體由所述光電探測器的一周長界定的體積且自所述光電探測器延伸至所述主表面。
21.如權(quán)利要求20所述的像素，其中所述光路包括一基于幾何光學(xué)的光錐，所述光錐自所述光電探測器延伸至所述主表面。
22.如權(quán)利要求19所述的像素，其中所述改向的入射光部分包括具有一大體處于一所選波長范圍內(nèi)的波長的入射光。
23.如權(quán)利要求19所述的像素，其中所述改向的入射光部分包括與所述主表面的一入射角大體處于一所選入射角范圍內(nèi)的入射光。
24.如權(quán)利要求19所述的像素，其中所述改向的入射光部分包括發(fā)生一或多次偏振的入射光。
25.一種圖像傳感器，其包括一像素陣列，每個像素包括一光電探測器；一定位于入射于所述像素上的光和所述光電探測器之間的介電層；及至少一個設(shè)置于所述介電層中的金屬元件，所述至少一個金屬元件構(gòu)造并定位成實(shí)現(xiàn)因入射到所述像素上的所述光而在所述介電層內(nèi)產(chǎn)生的一電磁場分布，以選擇性地使入射于所述像素上的所述光的一部分改向至所述光電探測器。
26.一種操作一基于半導(dǎo)體的像素的方法通過一表面接收入射光；在一光路內(nèi)將所述入射光的一部分傳送至一光電探測器，包括使用至少部分位于所述光路內(nèi)的至少一個金屬元件來增加通過所述光路傳送至所述光電探測器的所述入射光部分。
27.一種像素，其包括一構(gòu)造成接收入射光的表面；一底材；一定位在所述底材上的光電探測器；及一定位在所述表面與所述底材之間的介電結(jié)構(gòu)，其包括復(fù)數(shù)個層，其中所述層中的至少一層包括至少兩種各自具有一不同折射率的介電材料，且其中所述至少兩種介電材料相對于彼此并相對于所述光電探測器構(gòu)造及定位，以形成一選擇性地使所述入射光的一第一部分改向至所述光電探測器的所期望的電磁場分布，其中所述電磁場分布是通過所述至少兩種介電材料與所述入射光的一第二部分之間的相互作用來產(chǎn)生的。
28.一種構(gòu)造一像素以大體上優(yōu)化一與透過所述像素的光傳送相關(guān)的函數(shù)的方法，所述方法包括選擇一待優(yōu)化的函數(shù)；構(gòu)造所述像素的一結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括一表面、一光電探測器及一個或多個定位在所述表面與所述光電探測器之間的金屬元件；模擬因所述像素結(jié)構(gòu)與通過所述表面接收的光之間的一相互作用而在所述像素內(nèi)產(chǎn)生的一電磁場分布；根據(jù)對所述電磁場分布的所述模擬來計(jì)算所述所選函數(shù)的一個值；及通過至少將所述金屬元件中的一個或多個重新定位于新的位置處來重新構(gòu)造所述像素結(jié)構(gòu)，且實(shí)施所述模擬、計(jì)算及重新構(gòu)造步驟直到所述計(jì)算值指示所述所選函數(shù)得到大體上優(yōu)化為止。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中模擬所述電磁場分布包括使用選自由電磁場解算器組成的群組中的技術(shù)、對構(gòu)成所述像素結(jié)構(gòu)的材料的性質(zhì)進(jìn)行建模及對通過所述像素表面接收的所述光的特性進(jìn)行建模。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述電磁場解算器使用有限差分時域技術(shù)。
31.如權(quán)利要求28所述的方法，其中重新構(gòu)造所述像素結(jié)構(gòu)包括使用非線性優(yōu)化技術(shù)為所述至少一個金屬元件確定一新位置。
32.如權(quán)利要求28所述的方法，其中重新構(gòu)造所述像素結(jié)構(gòu)包括修改構(gòu)成所述像素結(jié)構(gòu)的材料。
33.如權(quán)利要求28所述的方法，其中重新構(gòu)造所述像素結(jié)構(gòu)包括修改所述至少一個金屬元件的一幾何形狀。
34.一種控制光在一基于半導(dǎo)體的圖像傳感器像素內(nèi)的傳播的方法，所述方法包括對代表所述像素的一物理結(jié)構(gòu)的電磁特性進(jìn)行建模，所述物理結(jié)構(gòu)包括一表面層、一襯底及嵌入所述表面層與所述襯底之間一個或多個介電層中的至少一個金屬元件；對代表由所述像素通過所述表面層接收的光的電磁特性進(jìn)行建模；使用所述像素的所述物理結(jié)構(gòu)及由所述像素通過所述表面層接收的所述光的所述電磁模型來模擬因所述像素的所述物理結(jié)構(gòu)與通過所述表面層接收的所述光之間的相互作用而在所述像素內(nèi)產(chǎn)生的一電磁場分布；根據(jù)所述模擬將所述至少一個金屬元件構(gòu)造并定位于所述至少一個金屬層內(nèi)，從而使所述電磁場分布選擇性地將由所述表面層所接收的所述光的一部分在所述像素中沿至少一個所選方向改向。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種集成波導(dǎo)，其包括一構(gòu)造成通過一第一主表面接收一第一電磁場分布并具有一第二主表面的介電結(jié)構(gòu)，其中所述第一電磁場分布在所述介電結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生一第二電磁場分布。所述波導(dǎo)進(jìn)一步包括在所述介電結(jié)構(gòu)中設(shè)置于所述第一主表面與所述第二主表面之間的至少一個金屬元件，所述至少一個金屬元件構(gòu)造并定位成實(shí)現(xiàn)所述第二電磁場分布以增加入射到所述第二主表面的一所選區(qū)域上的所述第二電磁場分布的量。
文檔編號G02B6/12GK1776470SQ20051009316
公開日2006年5月24日 申請日期2005年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月15日
發(fā)明者彼得·B·卡特利塞, 約翰·S·溫斯特蘭 申請人:安捷倫科技公司