集成束縛模式頻譜/角度傳感器制造技術

一種2D傳感器陣列包括半導體襯底和布置在半導體襯底上的多個像素。每一個像素包括耦合區和結區，以及平板波導結構，所述平板波導結構布置在半導體襯底上并且從耦合區延伸到區。平板波導包括布置在第一包覆層與第二包覆層之間的限制層。第一包覆和第二包覆每一個具有比限制層的折射率低的折射率。每一個像素還包括布置在耦合區中和平板波導內的耦合結構。耦合結構包括具有不同折射率的至少兩種材料，其布置為由光柵周期限定的光柵。結區包括與電接觸件連通的p?n結以用于偏置和收集由入射輻射的吸收引起的載流子。

Integrated bound mode spectrum / angle sensor

A 2D sensor array includes a semiconductor substrate and a plurality of pixels disposed on the semiconductor substrate. Each pixel includes a coupling region and a junction region, and a planar waveguide structure disposed on the semiconductor substrate and extending from the coupling region to the region. The planar waveguide includes a limiting layer disposed between the first coating layer and the second coating layer. The first cladding and the second cladding each have a refractive index lower than the limiting layer refractive index. Each pixel also includes a coupling structure disposed in the coupling region and in the plate waveguide. The coupling structure includes at least two materials having different refractive indices, arranged as gratings defined by the grating period. Including a junction region connected P n junction with the electrical contact for bias and collected by the incident radiation absorption caused by the carrier.

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】集成束縛模式頻譜/角度傳感器對相關申請的交叉引用本申請要求2014年6月9日提交的美國臨時專利申請序列號62/009,832和2015年1月5日提交的美國臨時專利申請序列號62/099,981的優先權，其整體內容通過引用并入本文。政府支持陳述本專利技術是在國家科學基金會授予的批準號EEC0812056的政府支持下做出的。政府對本專利技術具有一定權利。
本專利技術一般涉及照明領域，特別是包括傳感器的智能照明，并且具體地涉及集成束縛模式頻譜/角度傳感器的領域。
技術介紹
將室內照明向能量高效的LED系統進行轉換為以下提供眾多機會：將照明的功能從當今的適度通/斷/調光控制增加到利用LED的電子兼容性和靈活性的新的智能照明范式。這種新的照明范式包括用于增強工人/學生生產力的照明、諸如鞏固人類睡眠/清醒循環的晝夜周期轉換之類的健康效應、用于緩解日益增長的無線瓶頸的可見光通信（VLC）、以及用于提供定制照明的占用/活動感測。將利用以跨可見光的不同顏色處的多個LED實現最高照明效力，從而消除在磷光體顏色轉換中固有的能量損耗。VLC將要求具有來自多個燈具的多個LED的多輸入多輸出（MIMO）架構，以提供必要的聚集Gbps數據速率并且支持當人們與其個人設備一起移動時的移動性。光具對健康和生產力有許多影響；頻譜以及強度變化對于優化人類環境是重要的。除了來自LED的改進效力的節約之外，甚至更大的能量節約連同更加舒適的體驗，通過將照明適配于人類活動而可得到。當前存在開發牽涉具有橫跨400nm至700nm可見光譜的4至10個獨立顏色的每一個燈具中的多個LED的智能照明的趨勢。在本領域中需要提供將允許寬色域的智能照明，而且要求復雜控制系統以適配于不同照明條件、家具和墻壁、地板、天花板的不同影響和/或不同燈具中的LED的不同老化。雖然當今的彩色相機包括諸如可以集成以供用在智能照明中的光敏像素的組件，但是需要用于智能照明傳感器的角度和頻譜分辨率要求相當不同于傳統相機的角度和頻譜分辨率要求，該傳統相機要求角度非敏感性并且僅具有帶有三個相對寬帶且頻譜重疊的顏色濾波器（RGB）。最常見地，當今的彩色相機利用直接位于相機的硅光敏像素的頂上的染料吸收劑，其典型地具有~100nm或更大的頻譜帶寬。針對智能照明組件的開發技術的嘗試包括用于應用于數字相機的顏色像素的焦平面顏色濾波器。在紅外頻譜區中已經廣泛研究了半導體檢測器的表面等離子體波（SPW）增強。典型地，在IR中，方案是耦合至束縛于金屬-半導體界面的SPW。這允許使用更薄吸收區（因而具有更低噪聲電流）和更長吸收路徑（沿像素而不是跨結深度）。然而，該方案由于硅跨可見光譜的高且強烈變化的吸收而不適合于可見光譜。另一問題是所要求的光柵的小尺度，該尺度為~λ/n，其中n（半導體折射率）對于硅而言跨可見光譜為4至5。此外，SPW方案的限制包括：1）可見光中的相對高金屬光學損耗約束可用帶寬；頻譜寬度典型地為100至200nm，比期望的帶寬大一個數量級；并且2）透射低，典型地不大于10%，從而限制測量的靈敏度。雖然已經存在遠場濾波（平面波到平面波）的許多示范，但是呈現了耦合到硅材料以用于檢測的相對少的示范。在這樣少的示范中，線寬已是寬的，典型地為100至200nm。術語“等離子體激元”一般覆蓋限定在金屬-電介質界面上的擴展（傳播）表面等離子體波（SPW）和與金屬顆粒、金屬膜中的孔、金屬盤等相關聯的局部表面等離子體共振（SPR）二者。SPW和SPR的角度響應相當不同，其中取決于表面周期性SPW具有窄角度響應，而SPR一般具有角度無關的響應。在任何實際等離子體結構中，這兩個共振相互作用，從而給出復雜、波長相關的角度響應。同時，像素一般是小的，由個體像素是亞10微米的高像素計數相機中的趨勢所驅動。另外，許多研究已經示范了基于通過金屬膜中的孔陣列的非凡光學透射的遠場濾波器方案，在該方案中濾波器的遠場透射用作頻譜選擇量。作為實現遠場狀況所要求的長傳播距離的結果，該方案難以以方便的形狀因子實現，所述遠場狀況要求濾波器元件與硅檢測器陣列隔開。其它工作集中在與襯底上制作的2D波導的輻射耦合上。例如，由光柵耦合器和透明襯底上的單模平板波導構成的導模共振（GMR）濾波器已經示范了反射和透射中的角度和頻譜靈敏度二者。非共振時，GMR濾波器簡單地充當電介質，其中通常入射功率的大部分被簡單地透射。在共振時，光柵將入射光子中的一些耦合到波導中并且將波導中的傳播光子耦合回到經反射和透射的波束中。作為該過程中固有的相移的結果，外耦合的光子鞏固經反射的波并且破壞性地干涉經直接透射的光以降低經透射的功率。由于波導無損耗并且光柵是大的（許多波長），因此實現極其狹窄的共振響應。電信波長處的波導集成光學器件已經示范了光柵耦合到波導模式中可以提供必要的頻譜和角度濾波，其中最近示范在從2D波導到單模光纖的轉換中僅有0.6dB損耗。在本領域中所需要的是一種設備，該設備包括可以利用可縮放、可制造過程（例如不要求用于每一個所期望的波長/角度設置的分離制作步驟）集成到硅表面上的具有顏色和角度靈敏度二者的顏色像素，從而提供制造便利性和減小的形狀因子二者。另外，硅吸收跨可見光變化得相當大。在藍色波長（大約400nm）下，硅的吸收相當強，具有僅~100nm的1/e吸收長度。相比之下，在頻譜的紅色端（大約700nm），硅1/e吸收長度是~8微米（80倍長）。作為結果，硅光電檢測器的響應率同樣跨可見光變化。對于藍色靈敏度，結深度必須相當淺，在短1/e吸收長度內，該長度難以利用傳統CMOS制作過程來實現。因此，本專利技術的另一目的是提供一種CMOS兼容的p-n結技術，該技術適應藍色光子到硅中的短穿透深度。
技術實現思路
本文所描述的一些實施例使用：到金屬上傳播的束縛模式的光柵耦合，所述金屬可以涂敷有二氧化硅的保護層；以及通過金屬隧穿到底層硅p-n結（例如所制作的硅晶片）的光子。本文所描述的一些實施例使用到沿硅晶片的表面傳播的束縛模式的光柵耦合。這些可以是束縛于金屬/電介質界面的表面等離子體波，或者由電介質疊層（典型地為低折射率包覆、高折射率限制層和低折射率包覆）限制的波導模式。在實施例中，存在一種2D傳感器陣列。2D傳感器陣列包括半導體襯底和布置在半導體襯底上的多個像素。所述多個像素中的每一個包括至少一個耦合區和至少一個結區，以及布置在半導體襯底上并且從所述至少一個耦合區延伸到所述至少一個結區的平板波導結構。平板波導包括布置在第一包覆層與第二包覆層之間的限制層。第一包覆和第二包覆每一個具有比限制層的折射率低的折射率。所述多個像素中的每一個還包括布置在耦合區中和平板波導內的至少一個耦合結構。耦合結構包括具有不同折射率并且布置為由光柵周期限定的光柵的至少兩種材料。結區包括與電接觸件連通的p-n結以用于偏置和收集由入射輻射的吸收引起的載流子。在另一實施例中，存在一種2D傳感器陣列。2D傳感器陣列包括多個像素，所述多個像素至少包括第一像素和第二像素。第一和第二像素中的每一個包括平板波導部分、單模波導部分、用于使入射光從平板波導部分成漏斗狀到單模波導部分中的絕熱錐形部分、以及基本上鄰近于單模波導部分形成的多個共振分插濾波器。平板波導包括：布置在第一包覆層與第二包覆層之間的限制層，其中第本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種2D傳感器陣列，包括：半導體襯底，布置在半導體襯底上的多個像素，其中所述多個像素中的每一個包括：至少一個耦合區和至少一個結區；平板波導結構，布置在半導體襯底上并且從所述至少一個耦合區延伸到所述至少一個結區，并且包括布置在第一包覆層與第二包覆層之間的限制層，其中第一包覆和第二包覆每一個具有比限制層的折射率低的折射率；以及布置在耦合區中和平板波導內的至少一個耦合結構，所述耦合結構包括具有不同折射率并且布置為由光柵周期限定的光柵的至少兩種材料，其中結區包括與電接觸件連通的p?n結以用于偏置和收集由入射輻射的吸收引起的載流子。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.06.09 US 62/009832;2015.01.05 US 62/0999811.一種2D傳感器陣列，包括：半導體襯底，布置在半導體襯底上的多個像素，其中所述多個像素中的每一個包括：至少一個耦合區和至少一個結區；平板波導結構，布置在半導體襯底上并且從所述至少一個耦合區延伸到所述至少一個結區，并且包括布置在第一包覆層與第二包覆層之間的限制層，其中第一包覆和第二包覆每一個具有比限制層的折射率低的折射率；以及布置在耦合區中和平板波導內的至少一個耦合結構，所述耦合結構包括具有不同折射率并且布置為由光柵周期限定的光柵的至少兩種材料，其中結區包括與電接觸件連通的p-n結以用于偏置和收集由入射輻射的吸收引起的載流子。2.權利要求1的2D傳感器陣列，其中p-n結包括摻雜有第一載流子類型的第一半導體層和摻雜有第二載流子類型的第二半導體層。3.權利要求2的2D傳感器陣列，其中襯底包括第一半導體層或第二半導體層。4.權利要求1的2D傳感器陣列，還包括與p-n結電連通的電子器件，并且其中p-n結被偏置以收集光生載流子。5.權利要求1的2D傳感器陣列，其中平板波導的模折射率在約1.5到約2.2之間。6.權利要求1的2D傳感器陣列，其中所述至少一個耦合結構包括：定位在耦合區中的用于將入射光耦合到平板波導中的第一電介質光柵和定位在結區之上的平板波導區中的用于將光從波導耦合到結區中的第二電介質光柵。7.權利要求6的2D傳感器陣列，其中第二電介質光柵包括比第一電介質光柵的耦合常數更高的耦合常數，使得第二電介質光柵在比耦合區的空間范圍更小的空間范圍內將光外耦合到p-n結中。8.權利要求6的2D傳感器陣列，其中第一和第二電介質光柵中的每一個包括多個光柵齒部并且第二電介質光柵的齒部比第一電介質光柵的齒部更厚。9.權利要求6的2D傳感器陣列，其中所述多個像素中的至少兩個具有不同的光柵周期。10.權利要求6的2D傳感器陣列，其中第一電介質光柵包括耦合區中的啁啾光柵并且第二光柵包括結區中的固定和啁啾光柵。11.權利要求6的2D傳感器陣列，其中第一電介質光柵包括耦合區中的彎曲光柵。12.權利要求6的2D傳感器陣列，其中第一電介質光柵包括耦合區中的啁啾和彎曲光柵。13.權利要求6的2D傳感器陣列，其中第一電介質光柵包括多個疊加的彎曲光柵，其中所述多個疊加的彎曲光柵中的至少兩個具有不同的間距，并且其中第二光柵包括對應于所述多個疊加的彎曲光柵中的每一個的多個光柵。14.權利要求13的2D傳感器陣列，其中所述結區包括多個結區。15.權利要求14的2D傳感器陣列，其中所述多個結區中的每一個包括相應間距，其中至少一個結區的間距不同于其他結區的間距。16.權利要求6的2D傳感器陣列，其中第一電介質光柵包括耦合區域中的交叉光柵，所述交叉光柵包括具有第一間距的第一斜光柵和具有第二間距的第二斜光柵，所述第二斜光柵布置成與第一斜光柵正交，其中至少一個結區包括第一結區和第二結區，并且其中第二電介質光柵包括第一結區中的第一外耦合光柵以接受由第一斜光柵耦合的波導光，以及第二結區中的第二外耦合光柵以接受由第二斜光柵耦合的波導光。17.權利要求6的2D傳感器陣列，其中第一電介質光柵包括耦合區中的多個重疊的啁啾和彎曲光柵，其中所述至少一個結區包括多個結區，并且其中第二電介質區包括多個結光柵，每一個結光柵布置在所示多個結區中的相應一個中并且具有角度/頻譜響應中的相應一個。18.權利要求1的2D傳感器陣列，還包括布置在平板波導上方的金屬塊以將p-n結屏蔽免受直接光照。19.權利要求18的2D傳感器陣列，還包括布置在金屬塊與平板波導之間的電介質間隔物。20.權利要求18的2D傳感器陣列，其中所述至少一個耦合結構包括...

【專利技術屬性】
技術研發人員：SRJ布呂克，A諾伊曼，P扎克什哈，
申請(專利權)人：STCUNM公司，
類型：發明
國別省市：美國,US