一种CMOS图像传感器及其制作方法与流程

文档序号:23861731发布日期:2021-02-05 16:49阅读:115来源:国知局
一种CMOS图像传感器及其制作方法与流程
一种cmos图像传感器及其制作方法
技术领域
[0001]
本发明属于图像传感器技术领域,涉及一种cmos图像传感器及其制作方法。


背景技术:

[0002]
近年来,近红外图像传感器在安防监控、汽车夜视系统等领域的市场规模初显,如何增强近红外波段的灵敏度是一个重要的发展方向。然而,以硅基工艺为基础的cmos图像传感器(cis),由于硅材料自身带隙的限制,导致其在红光至近红外波段的灵敏度衰减严重。在不涉及到材料替代的情况下,传统近红外吸收增强的方法包括厚硅技术、掺杂技术等。随着像素尺寸的不断缩小,上述方法难以满足需求。在不增大衬底厚度的情况下,如何通过器件结构的设计来实现近红外增强很重要。
[0003]
其中,在正面引入内反射镜结构将近红外光限制在光电二极管(pd)内部充分吸收,是实现近红外增强的一种常用结构。通常内反射镜为金属结构,成本较高,且容易存在寄生效应或者漏电,影响图像传感器电学特性。


技术实现要素:

[0004]
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种cmos图像传感器及其制作方法,用于解决现有技术中图像传感器成本较高,且电学特性有待提高的问题。
[0005]
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种背照式cmos图像传感器,包括:
[0006]
衬底,包括相对设置的正面与背面;
[0007]
光电二极管,位于所述衬底中;
[0008]
分布式布拉格反射镜,位于所述衬底的正面;
[0009]
金属布线层,位于所述分布式布拉格反射镜背离所述衬底的一面。
[0010]
可选地,所述分布式布拉格反射镜包括在垂直方向上堆叠的至少一组双层结构,所述双层结构包括在垂直方向上依次堆叠的第一绝缘层及第二绝缘层,所述第一绝缘层的折射率小于所述第二绝缘层的折射率。
[0011]
可选地,所述第一绝缘层包括sio2层,所述第二绝缘层包括si3n4层及tio2层中的一种。
[0012]
可选地,所述分布式布拉格反射镜包括在垂直方向上堆叠的2-100组所述双层结构。
[0013]
可选地,所述背照式cmos图像传感器还包括深沟槽隔离结构,所述深沟槽隔离结构在垂直方向上贯穿所述衬底。
[0014]
可选地,所述深沟槽隔离结构的材质包括sio2、高k介质及金属中的至少一种。
[0015]
可选地,所述背照式cmos图像传感器还包括背面散射结构,所述背面散射结构在垂直方向上贯穿所述衬底的背面,并往所述衬底的正面方向延伸。
[0016]
可选地,所述背面散射结构的折射率小于所述衬底的折射率。
[0017]
可选地,所述背面散射结构的材质包括si3n4及sio2中的一种。
[0018]
可选地,所述背面散射结构的水平截面呈圆形、十字型或回字形。
[0019]
可选地,所述背面散射结构在水平面上的垂直投影位于所述光电二极管所在区域,且所述背面散射结构朝向所述衬底的正面的一端与所述光电二极管间隔预设距离。
[0020]
可选地,所述背照式cmos图像传感器还包括滤光片及微透镜,所述滤光片位于所述衬底的背面,所述微透镜与所述滤光片连接。
[0021]
本发明还提供一种cmos图像传感器的制作方法,包括以下步骤:
[0022]
提供一衬底,所述衬底包括相对设置的正面与背面;
[0023]
从所述衬底的正面形成光电二极管于所述衬底中;
[0024]
形成分布式布拉格反射镜于所述衬底的正面;
[0025]
形成金属布线层于所述分布式布拉格反射镜背离所述衬底的一面。
[0026]
可选地,在所述衬底的正面交替沉积第一绝缘层及第二绝缘层至少一次以得到所述分布式布拉格反射镜,所述第一绝缘层的折射率小于所述第二绝缘层的折射率。
[0027]
可选地,所述第一绝缘层包括sio2层,所述第二绝缘层包括si3n4层及tio2层中的一种。
[0028]
可选地,形成所述分布式布拉格反射镜的方法包括等离子增强化学气相沉积法。
[0029]
可选地,还包括形成深沟槽隔离结构的步骤:
[0030]
提供一基板,将所述基板与所述金属布线层键合;
[0031]
从所述衬底的背面减薄所述衬底;
[0032]
从所述衬底的背面形成第一沟槽于所述衬底中,所述第一沟槽在垂直方向上贯穿所述衬底;
[0033]
形成第一填充材料于所述第一沟槽中以得到所述深沟槽隔离结构。
[0034]
可选地,还包括形成背面散射结构的步骤:
[0035]
从所述衬底的背面形成第二沟槽于所述衬底中,所述第二沟槽自所述衬底的背面开口,并往所述衬底的正面方向延伸,但未到达所述衬底的正面;
[0036]
形成第二填充材料于所述第二沟槽中以得到所述背面散射结构。
[0037]
可选地,所述背面散射结构的折射率小于所述衬底的折射率。
[0038]
可选地,所述背面散射结构在水平面上的垂直投影位于所述光电二极管所在区域,且所述背面散射结构朝向所述衬底的正面的一端与所述光电二极管间隔预设距离。
[0039]
可选地,还包括以下步骤:
[0040]
形成滤光片于所述衬底的背面;
[0041]
形成微透镜,所述微透镜与所述滤光片连接。
[0042]
如上所述,本发明的背照式cmos图像传感器及其制作方法采用分布式布拉格反射镜(dbr)代替传统的金属反射镜来实现近红外光的反射,采用dbr结构的优点在于:(1)在前段光电二极管和后段的金属布线之间原本就需要制备绝缘层,只需要将绝缘层做成dbr结构,即可实现相关功能。(2)本发明中dbr可采用多层sio2和si3n4的周期性结构,与cmos工艺相兼容,避免了金属反射镜的相关问题。此外,通过结合深沟槽隔离(dti)技术、背面散射技术(bst),可以进一步增大近红外光的光程,将近红外光有效地限制在pd内部,实现近红外光的吸收增强。
附图说明
[0043]
图1显示为本发明的cmos图像传感器的剖面结构示意图。
[0044]
图2显示为4t像素的基本结构图。
[0045]
图3显示为本发明的cmos图像传感器的制作方法的工艺流程图。
[0046]
图4显示为本发明的cmos图像传感器的制作方法提供一衬底的示意图。
[0047]
图5显示为本发明的cmos图像传感器的制作方法从所述衬底的正面形成光电二极管于所述衬底中的示意图。
[0048]
图6显示为本发明的cmos图像传感器的制作方法形成分布式布拉格反射镜于所述衬底的正面的示意图。
[0049]
图7显示为本发明的cmos图像传感器的制作方法形成金属布线层于所述分布式布拉格反射镜背离所述衬底的一面的示意图。
[0050]
图8显示为本发明的cmos图像传感器的制作方法提供一基板,将所述基板与所述金属布线层键合的示意图。
[0051]
图9显示为本发明的cmos图像传感器的制作方法形成深沟槽隔离结构及背面散射结构的示意图。
[0052]
图10显示为本发明的cmos图像传感器的制作方法形成滤光片于所述衬底的背面,并形成与所述滤光片连接的微透镜的示意图。
[0053]
元件标号说明
[0054]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
衬底
[0055]
101
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正面
[0056]
102
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背面
[0057]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光电二极管
[0058]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
分布式布拉格反射镜
[0059]
301
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一绝缘层
[0060]
301
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二绝缘层
[0061]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
金属布线层
[0062]
401
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
介质层
[0063]
402
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
导电线路层
[0064]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
p阱
[0065]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
n阱
[0066]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
表面p型重掺杂区
[0067]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
n型重掺杂阱
[0068]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
转移栅
[0069]
10
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复位晶体管
[0070]
11
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源极跟随器
[0071]
12
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选择晶体管
[0072]
13
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背面散射结构
[0073]
14
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深沟槽隔离结构
[0074]
15
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滤光片
[0075]
16
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微透镜
[0076]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
基板
[0077]
s1~s4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
步骤
具体实施方式
[0078]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0079]
请参阅图1至图10。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0080]
实施例一
[0081]
本实施例中提供一种背照式cmos图像传感器,请参阅图1,显示为该cmos图像传感器的剖面结构示意图,包括衬底1、光电二极管2、分布式布拉格反射镜3及金属布线层4,其中,所述衬底1包括相对设置的正面101与背面102;所述光电二极管2位于所述衬底1中;所述分布式布拉格反射镜3位于所述衬底1的正面101;所述金属布线层4位于所述分布式布拉格反射镜3背离所述衬底1的一面。
[0082]
具体的,所述衬底1包括但不限于硅衬底,其可以是p型掺杂或n型掺杂。所述光电二极管2用于接收光线并产生光生电子,所述分布式布拉格反射镜3用于实现近红外光的反射。
[0083]
作为示例,所述cmos图像传感器采用4t像素结构,像素由光电二极管2和四个nmos型晶体管组成,分别是传输管m
tx
、复位管m
rs
、源极跟随器m
sf
和行选通管m
sel
。相对于3t像素结构,4t像素结构内部增加了传输管和存储节点fd(floating diffusion,fd),从而实现了真正意义上的相关双采样,基本消除了固定模式噪声,并很好的抑制了随机噪声,降低了像素表面的暗电流。
[0084]
作为示例,请参阅图2,显示为4t像素的基本结构图,其包括p阱5、形成于所述p阱5中的n阱6、形成于所述n阱6中的表面p型重掺杂区7、位于所述p阱5中的n型重掺杂阱8(浮置扩散)、位于所述p阱5上方的转移栅9、与所述n型重掺杂阱8相连的复位晶体管10、与所述复位晶体管10相连的源极跟随器11及与所述源极跟随器11相连的选择晶体管12。其中,所述p阱5、所述n阱6及所述p型重掺杂区7构成光电二极管2,所述光电二极管2可采用离子注入工艺形成,而所述转移栅9、所述复位晶体管10、所述源极跟随器11及所述选择晶体管12可采用cmos工艺制备。
[0085]
作为示例,所述分布式布拉格反射镜3包括在垂直方向上堆叠的至少一组双层结构,所述双层结构包括在垂直方向上依次堆叠的第一绝缘层301及第二绝缘层301,所述第一绝缘层301的折射率小于所述第二绝缘层302的折射率。
[0086]
具体的,分布式布拉格反射(dbr)的原理是:两种折射率的材料以abab的方式交替排列组成的周期性结构,每层材料的光学厚度n
r
·
d设定为中心反射波长λ的(1/4+n)倍,其
中,d为宏观厚度,n为整数,n=0,1,2

,n
r
为相对于真空折射率n0=1。例如为了使得反射的中心波长λ为900nm,每层材料的光学厚度为(225+900n)nm。以sio2层为例,其折射率n
r
=1.46,取n=0,则由公式n
r
·
d=(1/4)λ,可计算得到sio2层的宏观厚度d=154.11nm。
[0087]
作为示例,所述分布式布拉格反射镜包括在垂直方向上堆叠的2-100组所述双层结构,所述第一绝缘层301包括但不限于sio2层,所述第二绝缘层302包括但不限于si3n4层及tio2层中的一种。例如,所述双层结构可以采用sio2层/si3n4层组合、sio2层/tio2层组合或其它合适的组合。
[0088]
本实施例中,所述分布式布拉格反射镜3以10对sio2层/si3n4层为例,其中,sio2层的折射率为1.46,si3n4层的折射率为2.05,基于dbr反射中心波长900nm,每一层sio2层的厚度为154.11nm,每一层si3n4层侧厚度为109.76nm,所述分布式布拉格反射镜3的总厚度为2.6μm。相对于sio2层/tio2层组合,sio2层/si3n4层组合与现有工艺兼容性更好,因为sio2、si3n4在cmos工艺中使用较多。
[0089]
需要指出的是,本实施例中10对周期仅为示例,在其它实施例中,dbr反射镜的反射效果可以通过增加周期进一步提升。此外,dbr作为介质反射镜,没有金属反射镜的吸收问题,性能更优异。
[0090]
作为示例,所述背照式cmos图像传感器还包括背面散射结构13,所述背面散射结构13在垂直方向上贯穿所述衬底1的背面102,并往所述衬底1的正面101方向延伸。本实施例中,所述背面散射结构13在水平面上的垂直投影位于所述光电二极管2所在区域,且所述背面散射结构13朝向所述衬底1的正面101的一端与所述光电二极管2间隔预设距离。
[0091]
具体的,所述背面散射结构13的折射率小于所述衬底1的折射率,从而可以通过衍射、偏转以及反射中的一种方式来实现近红外(nir)光路长度的提升,可以使得nir光在光电二极管中得到充分吸收。
[0092]
作为示例,所述背面散射结构13的材质包括但不限于si3n4及sio2中的一种。所述背面散射结构13根据不同的需求可以具有不同的排布以及形状,例如,所述背面散射结构13的水平截面可以呈圆形、十字型、回字形等。所述背面散射结构13的特征厚度和特征尺寸可以在0~1微米之间。
[0093]
作为示例,所述背照式cmos图像传感器还包括深沟槽隔离结构14,所述深沟槽隔离结构14在垂直方向上贯穿所述衬底1。所述深沟槽隔离结构14主要制作在像素单元之间,作用主要是防止光线发生像素之间的窜扰,影响像素灵敏度。无论是背面散射结构对光线的散射,还是dbr对光线的反射,由于光线光路增大,导致发生相邻像素窜扰的几率增大,成像质量下降,因此dti具有重要作用。所述深沟槽隔离结构14的材质包括但不限于sio2、高k介质及金属中的至少一种,用于进行光线的反射。
[0094]
作为示例,所述背照式cmos图像传感器还包括滤光片15及微透镜16,所述滤光片15位于所述衬底1的背面,所述微透镜16与所述滤光片15连接。其中,入射光线经过所述微透镜16及所述滤光片15进入所述衬底1中,并被所述光电二极管2接收。所述滤光片15可以是红色滤光片、蓝色滤光片或绿色滤光片。
[0095]
本实施例的背照式cmos图像传感器采用分布式布拉格反射镜代替传统的金属反射镜来实现近红外光的反射,有利于降低成本,并可避免金属反射镜的相关问题,性能更优异。此外,通过设置背面散射结构及深沟槽隔离结构,可以进一步增大近红外光的光程。由
于近红外光的吸收长度深,传统背照式cmos图像传感器采用厚硅技术,也就是把硅衬底的厚度做大,使得近红外光吸收充分,但是不利于小型化,而本发明的背照式cmos图像传感器采用了分布式布拉格反射镜、背面散射结构及深沟槽隔离结构,能够在不增大衬底厚度(也可以与厚硅结合)的情况下,增大光的光路长度,提升近红外的量子效率,由于近红外光有效地限制在光电二极管内部,实现近红外光的吸收增强,可进一步缩小光电二极管的深度,有利于在未来实现像素器件的小型化。
[0096]
实施例二
[0097]
本实施例中提供一种cmos图像传感器的制作方法,请参阅图3,显示为该方法的工艺流程图,包括以下步骤:
[0098]
s1:提供一衬底,所述衬底包括相对设置的正面与背面;
[0099]
s2:从所述衬底的正面形成光电二极管于所述衬底中;
[0100]
s3:形成分布式布拉格反射镜于所述衬底的正面;
[0101]
s4:形成金属布线层于所述分布式布拉格反射镜背离所述衬底的一面。
[0102]
作为示例,请参阅图4,执行步骤s1:提供一衬底1,所述衬底1包括相对设置的正面101与背面102。所述衬底1包括但不限于硅衬底,其可以是p型掺杂或n型掺杂。
[0103]
请参阅图5,执行步骤s2:采用离子注入工艺从所述衬底1的正面形成光电二极管2于所述衬底1中。
[0104]
请参阅图6,执行步骤s3:形成分布式布拉格反射镜3于所述衬底1的正面。
[0105]
作为示例,采用淀积方法,例如等离子增强化学气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition,简称pecvd)或者其它合适的方法在所述衬底1的正面101交替沉积第一绝缘层301及第二绝缘层302至少一次以得到所述分布式布拉格反射镜3,所述第一绝缘层301的折射率小于所述第二绝缘层302的折射率。本实施例中,交替沉积sio2层/si3n4层10次,得到所述分布式布拉格反射镜3。在其它实施例中,也可以交替沉积sio2层/tio2层,周期的数目也可以根据需要进行调整。
[0106]
请参阅图7,执行步骤s4:形成金属布线层4于所述分布式布拉格反射镜3背离所述衬底1的一面。
[0107]
作为示例,所述金属布线层4包括介质层401及至少一层导电线路层402。所述导电线路层402可采用溅射、电镀、刻蚀等合适的工艺形成。
[0108]
请参阅图8,进一步提供一基板17,将所述基板17与所述金属布线层4键合,并采用化学机械抛光(cmp)或其它合适的工艺从所述衬底1的背面减薄所述衬底1。
[0109]
请参阅图9,进一步形成深沟槽隔离结构14及背面散射结构13。
[0110]
具体的,所述背面散射结构13的折射率小于所述衬底1的折射率,从而可以通过衍射、偏转以及反射中的一种方式来实现近红外(nir)光路长度的提升,可以使得nir光在光电二极管2中得到充分吸收。所述深沟槽隔离结构14主要制作在像素单元之间,作用主要是防止光线发生像素之间的窜扰,影响像素灵敏度。无论是背面散射结构对光线的散射,还是dbr对光线的反射,由于光线光路增大,导致发生相邻像素窜扰的几率增大,成像质量下降,因此dti具有重要作用。
[0111]
作为示例,所述背面散射结构13在水平面上的垂直投影位于所述光电二极管2所在区域,且所述背面散射结构13朝向所述衬底1的正面的一端与所述光电二极管2间隔预设
距离。
[0112]
作为示例,形成所述深沟槽隔离结构14包括以下步骤:
[0113]
(1)采用光刻、刻蚀等合适的工艺从所述衬底1的背面102形成第一沟槽于所述衬底1中,所述第一沟槽在垂直方向上贯穿所述衬底1;
[0114]
(2)采用化学气相沉积、物理气相沉积或其它合适的工艺形成第一填充材料于所述第一沟槽中以得到所述深沟槽隔离结构14。所述第一填充材料包括但不限于sio2、高k介质及金属中的至少一种,用于进行光线的反射。
[0115]
作为示例,形成所述背面散射结构13包括步骤:
[0116]
(1)采用光刻、刻蚀等合适的工艺从所述衬底1的背面102形成第二沟槽于所述衬底1中,所述第二沟槽自所述衬底1的背面102开口,并往所述衬底1的正面101方向延伸,但未到达所述衬底1的正面101。所述第二沟槽根据不同的需求可以具有不同的排布以及形状,例如,所述第二沟槽的水平截面可以根据需要进行呈圆形、十字型、回字形等,所述第二沟槽的特征深度和特征尺寸可以在0~1微米之间。
[0117]
(2)采用化学气相沉积、物理气相沉积或其它合适的工艺,形成第二填充材料于所述第二沟槽中以得到所述背面散射结构13。所述第二填充材料的材质包括但不限于si3n4及sio2中的一种。
[0118]
请参阅图10,进一步形成滤光片15于所述衬底1的背面,并形成与所述滤光片15连接的微透镜16。其中,入射光线经过所述微透镜16及所述滤光片15进入所述衬底1中,并被所述光电二极管2接收。所述滤光片15可以是红色滤光片、蓝色滤光片或绿色滤光片。
[0119]
作为示例,后续可以根据需要去除或保留所述基板17。
[0120]
综上所述,本发明的背照式cmos图像传感器及其制作方法采用分布式布拉格反射镜(dbr)代替传统的金属反射镜来实现近红外光的反射,采用dbr结构的优点在于:(1)在前段光电二极管和后段的金属布线之间原本就需要制备绝缘层,只需要将绝缘层做成dbr结构,即可实现相关功能。(2)本发明中dbr可采用多层sio2和si3n4的周期性结构,与cmos工艺相兼容,避免了金属反射镜的相关问题。此外,通过结合深沟槽隔离(dti)技术、背面散射技术(bst),可以进一步增大近红外光的光程,将近红外光有效地限制在pd内部,实现近红外光的吸收增强。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0121]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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