專利名稱：固態(tài)成像器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及單片(single-plate)彩色CCD和CMOS固態(tài)成像器件，更具體地說，涉及一種光電導層疊層型(photoconductive-layer-stacked type)固態(tài)成像器件，該器件包括位于基底上用作光-電轉換部分的光電導層疊層。
背景技術：
在通用型單片彩色固態(tài)成像器件中，與光接收部分一起形成的象素具有如R(紅)、G(綠)、和B(藍)之類的濾色片。借助這種結構的固態(tài)成像器件，每個具有各種濾色片的象素成組地工作以獲得彩色信號。這將限制空間分辨率的提高。為有所改善，近來提出了一種固態(tài)成像器件，其包括用作光-電轉換部分的光電導層疊層(光-電轉換層)，其中這些層與所述色彩之間具有一對一的關系。采用這種固態(tài)成像器件，不需要將象素分組而只需要單一象素就能夠得到彩色信號。
在這種光電導層疊層型固態(tài)成像器件中，作為光-電轉換部分的光電導層形成在基底上，圖1示出了光接收部分的結構。參見圖1，光接收部分位于半導體基底101上，并由用于紅色103R的光電導層、用于綠色103G的光電導層和用于藍色103B的光電導層構成。在這些光電導層103R、103G和103B上，每層都設置有透明電極105。更具體地說，光電導層103B位于頂部，其厚度足以吸收尤其是藍色波長范圍的光Hb。光電導層103G位于中部，其厚度足以吸收尤其是綠色波長范圍的光Hg。位于底部的是光電導層103R，其厚度足以吸收尤其是紅色波長范圍的光Hr。
通過給半導體基底101和設置在這些光電導層103R、103G和103B的上方和下方的透明電極層105施加電壓，在光-電轉換之后任何通過這些光電導層103R、103G和103B吸收的電荷都被順序讀出。以這樣的方式，能夠通過單一象素獲得彩色信號(詳細情況請參見非專利文獻1由DietmarKnipp等人撰寫的“Stacked Amorphous Silicon Color Sensor”，IEEETRANSACTION ON ELECTRON DEVICES，第49卷第1期，2002年1月，170-176頁)。

發(fā)明內容
這里的問題在于，在所述光電導層疊層型固態(tài)成像器件中，光電導層難以完全吸收各波長范圍的光。結果，如圖1所示，如果頂部的光電導層103B不能將藍色波長范圍的光Hb完全吸收，殘余的光將漏進其下面的光電導層103G和103R。同樣，如果中部的光電導層103G不能將綠色波長范圍的光Hg完全吸收，則不能完全防止光漏進下面的光電導層103R。漏光的結果降低了彩色分辨率和目標信號強度，即，降低了在光電導層103R、103G和103B的波長范圍內的感光性。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種光電導層疊層型單片彩色固態(tài)成像器件，其具有較高的彩色分辨率和較好的感光性。
為達到上述目的，本發(fā)明旨在提供一種固態(tài)成像器件，其中在與象素對應的基底上設置多層膜層疊的光接收部分，每個都包括位于其上的光電導層和透明電極層。在此成象設備中，設置在光電導層之間的透明電極層之間夾有半透明反射層，通過該半透明反射層反射預定波長范圍的光，而使波長大于該范圍的光通過。
此外，本發(fā)明還提供一種固態(tài)成像器件，包括第一光-電轉換層；形成在第一光-電轉換層之上的第二光-電轉換層；以及形成在第二光-電轉換層之上的第三光-電轉換層。在該成象設備中，在第一光-電轉換層和第二光-電轉換層之間形成第一半透明層，在第二光-電轉換層和第三光-電轉換層之間形成第二半透明層。


圖1是傳統(tǒng)的光電導層疊層型單片彩色固態(tài)成像器件中的光接收部分的截面圖；圖2是一實施方式的固態(tài)成像器件的結構示意圖；圖3A到3C是一組表示半透明反射層和光吸收層的光傳輸性能的曲線；圖4A和4B都是波長-光電流關系的曲線圖，它們示出了固態(tài)成像器件的光譜特性。
具體實施例方式
優(yōu)選實施方式的描述下面，參照附圖詳細描述本發(fā)明一實施方式的固態(tài)成像器件。
圖2示例性地示出了本發(fā)明的固態(tài)成像器件的主要結構。圖中，固態(tài)成像器件包括示例性地由單晶硅制成的基底1，在該基底的表面上以矩陣形式設置多個象素(圖中只示出一個象素)。每個象素上設有光接收部分3。
光接收部分3包括用于紅色的光電導層5r、用于綠色的光電導層5g和用于藍色的光電導層5b，這些光電導層依這種順序疊置在基底1上。在這些光電導層5r、5g和5b的每層的上方和下方設置透明電極層7。也就是說，光電導層5r夾在透明電極層7之間，光電導層5g和5b也如此。光電導層5r之上的透明電極層7和光電導層5g之下的透明電極層7之間夾有半透明反射層9g，以反射任意特定波長范圍的光。同樣的目的，半透明反射層9b夾在光電導層5g之上的透明電極層7和光電導層5b之下的透明電極層7之間。于是，該結構為兩層結構，其中設置在光電導層5r、5g和5b之間的電極層7夾有半透明反射層9g和9b。此外，在基底1和底部的透明電極層7(即，最下面的透明電極層)之間設置光吸收層11。
接下來將詳細描述構成上述光接收部分3的各層。
雖然未示出，但每個光電導層5r、5g和5b都為多層薄膜。在所述多層薄膜中，光-電轉換層夾在電子注入阻擋層和空穴注入阻擋層之間，這樣每個多層結構的光電導層5r、5g和5b都具有例如i型非晶硅制成的光-電轉換層，其夾在由i型非晶硅碳化物構成的電子注入阻擋層和由p型非晶硅碳化物構成的空穴注入阻擋層之間。
當光H從頂部的透明電極層7射入，設置在下面的光電導層5b具有的厚度tb可吸收藍色波長范圍的光Hb和波長小于該范圍的光Hb，而使波長范圍大于藍色波長范圍的光通過。當光H從頂部的透明電極層7到達中部的光電導層5g時，光電導層5g具有的厚度tg可吸收綠色波長范圍的光Hg，而使波長范圍大于綠色波長范圍的光通過。此外，底部的光電導層5r的厚度tr可吸收從頂部的透明電極層7到達的光，即波長范圍比綠色波長范圍大的紅色波長范圍內的光Hr。
這里，層厚度tb、tg和tr都表示光膜厚度，它們隨相應的光電導層5r、5g和5b的材料的改變而變。
夾在這些光電導層5r、5g和5b之間的透明電極層7例如由ITO(銦錫氧化物)、TO(氧化錫)、PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)、IZO(銦鋅氧化物)、IXO(銦、鋅和氧的化合物)或其它化合物構成。
夾在光電導層5r之上的透明電極層7和光電導層5g之下的透明電極層7之間的半透明反射層9g、以及夾在光電導層5g之上的透明電極層7和光電導層5b之下的透明電極層7之間的半透明反射層9b以具有半透射和半反射特性的所謂的二向色鏡或二向色濾光片為代表。具體地說，半透明反射層9g和9b的結構可反射預定波長范圍的任何光，而使較長波長側上的任何光通過。通過利用多層薄膜的光干涉效應，這樣的半透明反射層9g和9b只反射預定波長范圍的光，而使任何其它波長范圍的光通過。
具體而言，上部半透明反射層9b反射從頂部透明電極層7進入到光電導層5b的光H之中的僅被其下面的光電導層5b吸收的藍色波長范圍的光Hb，并使較長波長范圍的光H通過。就是說，如圖3A所示，半透明反射層9b對于藍色波長范圍內(大約490nm到550nm)的光Hb具有較小的透射率T(％)，而通過該波長范圍的光Hb的反射，對于較大波長范圍的光具有較高的透射率T(％)。
下部半透明反射層9g反射從頂部透明電極層7到達光電導層5g的光H中的僅被其上面的光電導層5g吸收的綠色波長范圍的光Hg，并使其余光通過。就是說，如圖3B所示，半透明反射層9g對于綠色波長范圍內(大約490nm到580nm)的光Hg具有較小的透射率T(％)，而通過該波長范圍的光Hg的反射，對于任何其它波長范圍的光具有較高的透射率T(％)。
直接位于基底1上的光吸收層11、即光接收部分3的底部由能夠吸收從頂部透明電極層7進入的光的材料制成。這里，到達光吸收層11的光Hr是通過光電導層5b、5g和5r的光中之一。藍色波長范圍的光Hb被光電導層5b吸收，而綠色波長范圍的光Hg被光電導層5g吸收。因此，在吸收應被光電導層5r吸收的紅色波長范圍的光Hr時，光吸收層11可以起很好的作用。因此，如圖3C所示，光吸收層11可以為半透明反射層，其對于較長波長范圍(大約600nm或大于此波長)的紅色光Hr具有較低的透射率T(％)，而通過該波長范圍的光Hr的反射對于波長范圍小于該波長范圍的光具有較高的透射率T(％)。
如圖2所示，分別與光電導層5r、5g和5b對應的電容器13連接到如此結構的光接收部分3。如圖所示，電容器13是構圖在形成于基底1的表面?zhèn)鹊膒-井(P-well)擴散層14的表面上的N+擴散層15。每個這樣的N+擴散層15連接有從分別夾有光電導層5r、5g和5b的兩個半透明電極層7(附圖中下面的透明電極層7)之一引出的引出電極17。
沒有連接到引出電極17的其余的透明電極層7(附圖中上面的透明電極層7)連接到共用電源Vp。借助這樣的結構，在分別夾有光電導層5r、5g和5b的透明電極層7之間流動的光電流通過相應的電容器13作為光接收信號被引出，以用于存儲。
在基底1的表面上，在N+擴散層15與基底1的表面之間設置有另一擴散層，該擴散層起電荷轉移區(qū)(未示出)的作用，并具有充當通道區(qū)的間距d。基底1的通道區(qū)的上面部分設置有對應于各N+擴散層15的讀取門19。在電荷轉移區(qū)上方，設置有轉移電極21，從而構成固態(tài)成像器件。這里，轉移電極21通過未示出的絕緣層連接到讀取門19。所形成的固態(tài)成像器件為光電導層疊層型單片彩色CCD固態(tài)成像器件。
就這種固態(tài)成像器件而言，當光H從最上面的透明電極層7進入到由層疊光電導層5r、5g和5b而獲得的光接收部分3時，由于光-電轉換，所以通過光電導層5r、5g和5b可觀察到按波長增長順序從較短的波長范圍到較長的波長范圍光的吸收。在這種情況下，最上面的光電導層5b具有能夠吸收藍色波長范圍的光Hb的厚度tb。因此，從頂部的透明電極層7進入的光H之中，藍色波長范圍的光Hb被頂部的光電導層5b吸收。而且，由于用于只反射藍色波長范圍的光Hb的半透明反射層9b設置在光電導層5b之下，沒有被光電導層5b完全吸收的光Hb被半透明反射層9b反射，然后再次進入光電導層5b，以被該層吸收。
與沒有設置這樣的半透明反射層9b的情況相比，對于藍色波長范圍的光Hb，光電導層5b呈現(xiàn)出較好的吸收率。此外，即使沒有被光電導層5b完全吸收，藍色波長范圍的殘余光Hb也不會漏進位于下面的光電導層5g和5r。因此，能可靠地實現(xiàn)對藍色波長范圍的光Hb的色彩分離。
位于光電導層5b下面的光電導層5g只接收藍色波長范圍的光Hb之外的光。該光電導層5g具有吸收綠色波長范圍的光Hg的厚度tg。因此，進入其中的光H中的綠色波長范圍的光Hg被光電導層5g吸收。而且，由于半透明反射層9g設置在光電導層5g之下，用于只反射綠色波長范圍的光Hg，所以即使沒有被光電導層5g完全吸收，綠色波長范圍的殘余光Hg也能被半透明反射層9g反射，然后再次進入光電導層5g，以便在此吸收。
與沒有設置這樣的半透明反射層9g的情況比較，對于綠色波長范圍的光Hg，光電導層5g呈現(xiàn)出較好的吸收率。此外，即使沒有被光電導層5g完全吸收，綠色波長范圍的殘余光Hg也不會漏進位于下面的光電導層5r。因此，綠色波長范圍的光Hg能被可靠地從不包含藍色波長范圍的光Hb的光中分離。
借助這樣的結構，作為色彩分離的可靠結果，最下面的光電導層5r只接收不包含藍色和綠色波長范圍的光Hb和Hg的光，即只接收紅色波長范圍的光Hr和較長波長范圍的光。最下面的光電導層5r具有吸收紅色波長范圍的光Hr的厚度，并且在其下面設置光吸收層11以吸收紅色波長范圍的光Hr。因此，即使沒有被光電導層5r完全吸收，由于反射，紅色波長范圍的光Hr也不會漏進上面的光電導層5g和5b。
因此，與沒有設置這樣的光吸收層11相比，由于反射，能成功地防止色彩分離之后的紅色波長范圍的光Hr再次漏進上面的光電導層5g和5b。
如上所述，由于能成功地防止光電導層5r、5g和5b之間的漏光，所以如圖4A的光譜特性曲線所示，從光電導層(藍，綠和紅)提取的光電流的波長峰值的半值幅寬變窄。因此，可有效改善光電導層中的分色性能。故而若考慮用這類光電流作為光接收信號，所得到的圖象具有良好的色彩重現(xiàn)性。
另一方面，在具有圖1的光接收部分的傳統(tǒng)固態(tài)成像器件中，既不包括半透明反射層9g和9b、也不包括光吸收層11，應該被上面的光電導層吸收的波長范圍的光將漏進下面的光電導層。結果，如圖4B的光譜特性曲線所示，從光電導層(藍，綠和紅)提取的光電流都平緩地傾斜到達其波長峰值。這是因為光電導層中的分色性能較差所致。
另外，借助本實施方式的固態(tài)成像器件，如前面所述，被位于光電導層5g和5b之下的半透明反射層9g和9b反射的任何光同樣很好地用于光-電轉換。因此，與沒有包括半透明反射層9g和9b的傳統(tǒng)結構比較，能夠很好地改善感光性。由于具有良好的感光性，即使減小光電導層5g和5b的層厚度，在期望的薄的光接收部分也能順利地得到所述的感光特性。
再者，借助于使每個光電導層5r、5g和5b夾在透明電極層7中間的結構，可以驅動光電導層5r、5g和5b，致使電荷能同時讀到相應的電容器13中。
下面將描述如何利用簡單的結構型式在圖2的固態(tài)成像器件中獲得良好的分色特性和感光性。
在此假設構造成光接收部分3的光電導層5r、5g和5b都由相同的材料(光吸收系數(shù)α)構成，光電導層5r、5g和5b的厚度大概分別為tr、tg和tb，并且透明電極層7幾乎觀察不到光吸收或反射。進入光接收部分3的光H的強度假設為Io。借助這些假設，在與光接收部分3的表面具有距離(深度)x的位置處的光H的電荷e的產生率表示為g(x)＝Ioλ/hc×α×exp(-αx)(其中h表示普朗克(Planck)常數(shù)，c表示光速。)傳統(tǒng)結構中，流過位于離開表面(距離0)的藍色光電導層5b的電流J表示為J1＝-q·INT[g(x)]＝-q Ioλ/hc·(1-exp(-αx)) ...(1)這里，INT表示從0到tb的距離的積分。
另一方面，本發(fā)明結構中，電流J被近似成使得設置在藍色和綠色光電導層5b和5g之間的半透明反射層9b反射100％的藍色波長范圍的光Hb，并且使100％的較長波長范圍的任意光通過…(2)。
將光電流J1ref作為通過半透明反射層9b的藍色波長范圍的光Hb反射的結果，光電流J1ref＝kb·J1·exp(-αtb)…(3)。注意，在此考慮到(2)，K為Kb＝1(λ＜＝λbg)，且Kb＝0(λ＞λbg)。也就是說，與傳統(tǒng)結構相比，從表達式(3)，通過在藍色波長范圍的吸收能獲得較大的光電流。
此分量不參加(混合)下面綠色光電導層5g中的光-電轉換，因而得到較高的色彩分辨率。也就是說，對于傳統(tǒng)結構，作為中間層的綠色光電導層5g中的光-電轉換可能引起藍色波長范圍的光Hb從上面的光電導層5b泄漏。反之，本發(fā)明的結構，藍色波長范圍的光Hb被半透明反射層9b適當?shù)厍袛唷?br> 與上面類似，由于綠色光電導層5g下面的半透明反射層9g中綠色波長范圍的光Hg的反射部分，所以本發(fā)明的結構，除與上面類似外還能夠得到良好的感光性。這樣，藍色光Hb和綠色光Hg將作為反射成分，并且這些光Hb和Hg不混合進入底部的光電導層5r。這樣，在光電導層5r中，紅色波長范圍的光Hr主要用于光-電轉換。
注意，在上面的實施方式中，光吸收層11設置在紅色光電導層5r的下面。如果紅色波長范圍的光Hr較弱，作為光吸收層11的替換，可以設置反射紅色波長范圍的光Hr的反射層。如果是這種情況，更多的紅色波長范圍的光Hr可以通過光電導層5r進行光-電轉換，從而增強了紅色波長范圍的光的強度。在這種情況下，借助于位于底部的光電導層5r，被設置在其下面的反射層反射的光能參加光-電轉換。因此，與圖1的傳統(tǒng)結構比較，即使光電導層5r的厚度減小，也能很順利地獲得所述感光性能，從而得到期望的較薄的光接收部分。
另外，用于紅色的光電導層5r不一定需要設置光吸收層11或反射層。如果紅色波長范圍的光Hr泄漏到上面的層不會引起不良影響，則不需要包括這樣的層。如果是這種情況，在紅色的光電導層5r之下可不設置半透明反射層7，那么形成在基底1上的擴散層可以用作下層的電極。
在上述實施方式中，描述了將本發(fā)明用于CCD固態(tài)成像器件的情況。顯然本發(fā)明并非限制于此，本發(fā)明的固態(tài)成像器件還可用于MOS型(CMOS傳感器)固態(tài)成像器件。如果是這種情況，則作為圖2的下面的轉移電極21和電荷轉送區(qū)的替換，可以將連接到讀取門19上的導線和驅動電路設置在基底1和其表面層上。
如前所述，根據本發(fā)明的固態(tài)成像器件，在光電導層疊層型單片彩色固態(tài)成像器件中，在光電導層之間設有具有用于反射預定波長范圍中任何光的半透明反射層的透明電極層，使得較長波長的任何光通過。這樣，半透明反射層用于只反射未被上面的光電導層吸收的光之中的任意特定波長范圍的光，并具有被上面的光電導層再次吸收的光。這樣的結構可防止特定波長范圍的光泄漏到下面的光電導層，從而提高了色彩分辨率，并改善了色彩再現(xiàn)性。此外，在上面的光電導層中，被反射的光參加光-電轉換，因此提高了量子效率，從而提高了感光性。
權利要求
1.一種固態(tài)成像器件，其中在一與象素相應設置的基底上設置有一光接收部分，該光接收部分由疊層層疊構成，每一疊層包括一光電導層和一位于其上的透明電極層，其中，設置在所述光電導層之間的所述透明電極層具有一半透明反射層，借助該半透明反射層反射預定波長范圍的光，而使長波長側的光通過。
2.根據權利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中，在所述基底和所述光電導層之間，從所述基底一側依次設置一用于吸收通過所述多層光電導層的光的光吸收層和一下部透明電極層。
3.根據權利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中，在所述基底和所述光電導層之間，從所述基底一側依次設置一用于反射通過所述多層光電導層的光的反射層和一下部透明電極層。
4.根據權利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中，所述光電導層的層厚度朝所述上面層減小，以及由所述半透明反射層反射的預定波長范圍被設定為朝所述上面層越來越短。
5.根據權利要求4所述的固態(tài)成像器件，其中，位于中間和最下面的所述光電導層的每一層具有的層厚度足以吸收進入該層并被位于其下面的所述層反射的光。
6.根據權利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中，所述透明電極層與一電容器相連，以讀取累積在每一所述光電導層的電荷用以存儲。
7.一種固態(tài)成像器件，包括一第一光-電轉換層；一形成在所述第一光-電轉換層之上的第二光-電轉換層；一形成在所述第二光-電轉換層之上的第三光-電轉換層，其中，在所述第一光-電轉換層和所述第二光-電轉換層之間形成有一第一半透明層，及在所述第二光-電轉換層和所述第三光-電轉換層之間形成有一第二半透明層。
8.根據權利要求7所述的固態(tài)成像器件，其中，處理來自所述第一、第二和第三光-電轉換層的信號，及在成象區(qū)域內產生用于象素的彩色信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固態(tài)成像器件，它包括與象素相應的基底，基底上設有按以下順序層疊的光接收部分用于吸收紅色波長范圍的光的光電導層、用于吸收綠色波長范圍的光的光電導層、以及用于吸收藍色波長范圍的光的光電導層。在每一光電導層之上設有透明電極層。設置在光電導層之上的透明電極層和設置在光電導層之下的透明電極層之間夾有用于反射綠色波長范圍的光的半透明反射層。同樣，設置在光電導層之上的透明電極層和設置在光電導層之下的透明電極層之間夾有用于反射藍色波長范圍的光的半透明反射層。通過這樣的結構，能很好地提供獲得較高的彩色分辨率和較好的感光性的光電導層疊型單片彩色固態(tài)成像器件。
文檔編號H04N5/369GK1551365SQ20041006319
公開日2004年12月1日 申請日期2004年5月8日 優(yōu)先權日2003年5月6日
發(fā)明者神戶秀夫 申請人:索尼株式會社