感光结构及其形成方法与流程

1.本技术涉及光学技术领域，具体涉及一种感光结构及其形成方法。


背景技术：

2.超表面是一种微型的几何结构，通常用于对入射至各类感光元件的光线进行滤光；在工作时，上述超表面可以使通过的光线发生衍射，以调制上述光线，得到各类感光元件所需要的光线信息。目前，超表面结构往往需要在额外的材料层上加工，再将加工好的带有超表面结构的材料层贴合到感光元件所在的晶圆(wafer)上。
3.上述超表面的设置方案在一定程度上可以对入射至相应感光元件的光线进行滤光，然而超表面所在的材料层和相应感光元件的像素之间难以实现精准对齐，使上述感光元件难以完整地接收通过超表面的光线，影响感光元件的工作性能。


技术实现要素：

4.鉴于此，本技术提供一种感光结构及其形成方法，以解决传统方案中超表面所在的材料层和相应感光元件的像素之间难以实现精准对齐，使感光元件难以完整地接收通过超表面的光线，影响感光元件工作性能的问题。
5.本技术一方面提供一种感光结构，包括超表面和感光元件，所述感光元件包括光线入射面和与所述入射面相对的多个像素单元；
6.所述超表面设置在所述光线入射面内，各个所述像素单元分别对应一个所述超表面，用于调制通过的光线，以使入射光线经过各个超表面调制后射入对应的像素单元。
7.可选地，上述感光结构还包括覆盖所述超表面的调光组件；所述调光组件用于调整所述入射光线相对于所述超表面的入射方向。
8.可选地，所述调光组件包括各个超表面对应的透镜，各个所述透镜覆盖对应的超表面。
9.可选地，所述感光元件包括：金属线路、介质材料层和感光层，所述感光层具有相对的第一表面和第二表面；
10.所述介质材料层位于所述感光层的第一表面上，所述金属线路设置在所述介质材料层内部；所述感光层内设置有多个像素单元。
11.可选地，上述光线入射面为所述介质材料层的介质表面；所述超表面设置在所述介质表面，并与对应的像素单元相对。
12.可选地，上述光线入射面为所述感光层的第二表面；所述超表面设置在所述第二表面。
13.可选地，所述超表面的尺寸与所述入射光线的波长在一个量级。
14.可选地，上述超表面的横截面形状包括如下形状中的至少一种：矩形、圆形、梯形、椭圆形、三角形和十字形。
15.本技术另一方面提供一种感光结构的形成方法，包括：
16.提供感光元件，所述感光元件包括光线入射面和多个像素单元；
17.在所述感光元件的光线入射面内设置多个超表面；各个所述超表面分别与所述感光元件中各个像素单元相对应，用于调制通过的入射光线，以使所述入射光线经过各个所述超表面的调制后射入对应的像素单元。
18.可选地，所述在所述感光元件的光线入射面内设置多个超表面包括：
19.在所述感光元件的光线入射面设置各个所述像素单元对应的凹槽，形成尺寸与所述入射光线的波长在相同量级的超表面。
20.可选地，上述感光结构的形成方法还包括：
21.在所述光线入射面形成与各个所述超表面对应的透镜，使各个所述透镜覆盖对应的超表面。
22.本技术上述感光结构及其形成方法，在感光元件的光线入射面设置各个像素单元对应的超表面，使入射光线通过各个超表面调制后，再射入对应的像素单元，可以提高各个像素单元所探测光信息的有效性；其中各个超表面与相应像素单元相对设置，这样经过各个超表面的光线能够完全射向对应的像素单元，以使各个像素单元所接收的光线量实现最大化，可以提高整个感光结构的光学性能；此外在感光元件的光线入射面直接加工超表面以及透镜等其他相关结构，能够简化对应的工艺流程，使各项工艺流程实现统一，无需转移生产线或者新建额外的生产线，降低了感光结构的生产成本。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是本技术一实施例的感光结构示意图；
25.图2a和图2b是本技术另一实施例的感光结构示意图；
26.图3是本技术一实施例的感光元件示意图；
27.图4a、图4b、图4c和图4d是本技术另一实施例的感光结构示意图；
28.图5a和图5b是本技术一实施例的超表面横截面示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而非全部实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。
30.本技术第一方面提供一种感光结构，参考图1所示，该感光结构包括超表面110和感光元件200，感光元件200包括光线入射面和与入射面相对的多个像素单元；所述超表面110设置在感光元件200的光线入射面内，感光元件200中各个像素单元分别对应设置一个超表面，用于调制通过的光线，以使入射光线经过各个超表面调制后射入对应的像素单元。其中超表面110为具有横向亚波长的微细结构，比如尺寸与入射光线在同一个数量级的孔
结构等等，能够使通过的光线发生衍射，实现光线调制，以提高射入感光元件200的光线的有效性。
31.图1所示的感光元件200包括介质材料层210和感光层230，感光层230内设置有多个像素单元，如图1示出的第一像素单元231、第二像素单元232和第三像素单元233等等。其中感光结构的光线入射面可以为介质材料层210的介质表面或者感光层230所在的一个表面，图1所示的光线入射面为介质材料层210的介质表面。感光层230中的各个像素单元分别对应设置一个超表面，如图1中第一像素单元231对应设置第一超表面111，第二像素单元232对应设置第二超表面112，第三像素单元233对应设置第三超表面113，以分别调制各个像素单元所接收的光线。上述感光层230可以为半导体衬底，该半导体衬底内通过掺杂工艺形成包括感光组件的像素单元，该像素单元能够接收射入的光线；其中感光组件可以是二极管，也可以是cmos或其他感光结构。
32.可选地，上述各个像素单元可以包括对应的光电二极管，以通过光电二极管实现对相应像素单元所接收光线的处理，保证处理效果。
33.本实施例直接在感光元件200的光线入射面设置各个像素单元对应的超表面110，使入射光线通过各个超表面110调制后，再射入对应的像素单元，可以提高各个像素单元所探测光信息的有效性。此外在感光元件200的光线入射面直接加工超表面110以及其他相关结构，能够简化对应的工艺流程，使各项工艺流程实现统一，无需转移生产线或者新建额外的生产线，降低工艺方面的相关成本。
34.在一个实施例中，参考图2a所示，上述感光结构还包括覆盖超表面的调光组件120；所述调光组件120用于调整所述入射光线相对于所述超表面110的入射方向，使入射光线能够尽可能垂直射入各个超表面110。
35.具体地，参考图2a和图2b所示，上述调光组件120包括各个超表面110对应设置的透镜，各个透镜覆盖对应的超表面110，比如在图2a和图2b中，第一透镜121覆盖第一超表面111，第二透镜122覆盖第一超表面112，第三透镜123覆盖第三超表面113，以对入射光线进行聚合等方向调整，使入射光线可以垂直射入各个超表面110，提高各个超表面110对入射光线的调制效果，从而进一步提升相应感光结构的光学性能。
36.其中，上述透镜120按照设定规则排列在感光结构的光线入射面，以调整射向上述光线入射面的光线方向。具体地，上述设定规则包括间隔排列和/或非间隔排列，以提高设置各个透镜的灵活性。其中图2a示出的各个透镜呈非间隔排列，各个透镜的一端接触相邻透镜的相应端；图2b示出的各个透镜呈间隔排列，各个透镜的一端与相邻透镜的相应端之间存在间隙。
37.在一个实施例中，参考图3所示，所述感光元件200包括金属线路220、介质材料层210和感光层230，所述感光层230具有相对的第一表面和第二表面。介质材料层210位于感光层230的第一表面上，所述金属线路设置在所述介质材料层内部，以对感光元件200产生的各类信号进行处理，实现感光元件200的各项功能；所述感光层内设置有多个像素单元，各个像素单元可以分别包括一个光电二极管，以实现对入射光的探测。可选地，上述感光层230可以为半导体衬底，该半导体衬底内通过掺杂工艺形成包括光电二极管的像素单元，以使像素单元能够探测射入的光线；如图3所示，感光层230的第二表面为衬底层239，以对各个像素单元进行支撑和保护。
38.具体地，感光元件200可以包括前照式cmos(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)和背照式cmos。在一个示例中，参考图4a所示，前照式cmos的光线入射面为介质材料层210的介质表面；此时超表面设置在该介质表面，并与对应的像素单元相对，使入射光线通过各个超表面110之后，全部射入对应像素单元，这样金属线路220不会遮挡入射光线，能够保证各个像素单元的光接收量，进一步提升相应感光结构的光学性能。
39.可选地，如图4b所示，前照式cmos的介质表面可以设置各个超表面110分别对应的透镜120，如第一超表面111对应的第一透镜121、第二超表面112对应的第二透镜122和第三超表面113对应的第三透镜123等等，以采用各个透镜覆盖对应的超表面，调整射入各个超表面110的入射光方向，提高各个超表面110对入射光的调制效果。本示例能够在介质材料层210直接加工超表面110和透镜120等其他相关结构，可以简化这些结构的工艺流程，使各项工艺流程实现统一，无需转移生产线或者新建额外的生产线，降低了相应感光结构的生产成本。
40.在一个示例中，参考图4c所示，背照式cmos的光线入射面为感光层230的第二表面；各个超表面110设置在第二表面，具体可以设置在对应像素单元处的衬底层，如第四超表面114设置在第四像素单元234处、第五超表面115设置在第五像素单元235处、第六超表面116设置在第六像素单元236处等等，以对各个像素单元对应的入射光进行调制。
41.可选地，如图4d所示，后照式cmos的第二表面可以设置各个超表面110分别对应的透镜120，如第四超表面114对应的第四透镜124、第五超表面115对应的第五透镜125和第六超表面116对应的第六透镜126等等，以采用各个透镜覆盖对应的超表面，调整射入各个超表面110的入射光方向，提高各个超表面110对入射光的调制效果。本示例能够在感光层230直接加工超表面110和透镜120等其他相关结构，可以简化这些结构的工艺流程，使各项工艺流程实现统一，无需转移生产线或者新建额外的生产线，降低了相应感光结构的生产成本。
42.在一个实施例中，上述超表面的尺寸与入射光线的波长在一个量级，以对入射光线进行有效衍射，提高对入射光线的调制效果。
43.在一个实施例中，超表面的横截面形状可以依据相应感光结构的调制需求确定，通常可以包括各种形状，比如如下形状中的至少一种：矩形、圆形、梯形、椭圆形、三角形和十字形，以响应感光结构的各种光线调制需求。其中图5a示出了前照式cmos中介质表面设置的一部分超表面的横截面，图5b示出了背照式cmos中第二表面设置的一部分超表面的横截面。
44.以上感光结构，在感光元件的光线入射面设置各个像素单元对应的超表面，使入射光线通过各个超表面调制后，再射入对应的像素单元，可以提高各个像素单元所探测光信息的有效性。其中各个超表面与相应像素单元相对设置，这样经过各个超表面的光线能够完全射向对应的像素单元，以使各个像素单元所接收的光线量实现最大化，可以提高整个感光结构的光学性能。此外在感光元件的光线入射面直接加工超表面以及透镜等其他相关结构，能够简化对应的工艺流程，使各项工艺流程实现统一，无需转移生产线或者新建额外的生产线，降低了感光结构的生产成本。
45.本技术第二方面提供一种感光结构的形成方法，包括：
46.提供如图3所示感光元件200，所述感光元件200包括光线入射面和多个像素单元；
47.在感光元件200的光线入射面内设置多个超表面110；如图4a或者图4c所示，各个所述超表面110分别与所述感光元件200中各个像素单元相对应，用于调制通过的入射光线，以使所述入射光线经过各个所述超表面的调制后射入对应的像素单元。
48.在一个实施例中，所述在所述感光元件的光线入射面内设置多个超表面包括：在所述感光元件的光线入射面设置各个所述像素单元对应的凹槽，形成尺寸与所述入射光线的波长在相同量级的超表面。其中凹槽的尺寸与入射光线的波长在一个量级，以便能够使通过的光线发生衍射；凹槽的形状可以依据相关工艺需求等特征设置，比如可以为矩形槽和/或圆柱槽等等。
49.具体地，针对前照式cmos，光线入射面为感光元件的介质表面，本实施例可以分别获取各个像素单元和金属线路的位置参数，以得到像素单元和金属线路分别映射至光线入射面的映射位置，依据这些映射位置，可以在光线入射面像素单元对应的映射位置且非金属线路对应的映射位置处挖槽，形成超表面，使超表面与像素单元一一对应，且直接相对，这样便可以避免金属线路遮挡光线等问题，能够保证各个像素单元的光接收量。
50.在一个示例中，上述超表面的形成方法也可以包括：在光线入射面形成掩膜层，在该掩膜层标记对应各个像素单元且避开金属线路的位置，以掩膜层为掩膜，在标记的各个位置处刻蚀，以得到各个像素单元对应的超表面。
51.在一个实施例中，上述感光结构的形成方法还包括：在所述光线入射面形成调光组件120，该调光组件120用于调整所述入射光线相对于所述超表面110的入射方向，使入射光线能够尽可能垂直射入各个超表面110。
52.具体地，在所述光线入射面形成调光组件120包括：在所述光线入射面形成与各个超表面110对应的透镜，使各个透镜覆盖对应的超表面110。
53.在一个实施例中，参考图3所示，所述感光元件200包括金属线路220、介质材料层210和感光层230，所述感光层230具有相对的第一表面和第二表面。介质材料层210位于感光层230的第一表面上，所述金属线路设置在所述介质材料层内部，以对感光元件200产生的各类信号进行处理，实现感光元件200的各项功能；所述感光层内设置有多个像素单元，各个像素单元可以分别包括一个光电二极管，以实现对入射光的探测。
54.具体地，感光元件200可以包括前照式cmos和背照式cmos。前照式cmos的光线入射面为所述介质材料层的介质表面；所述超表面设置在所述介质表面，并与对应的像素单元相对。背照式cmos的光线入射面为所述感光层的第二表面；所述超表面设置在所述第二表面。
55.在一个实施例中，上述超表面的尺寸与入射光线的波长在一个量级，以对入射光线进行有效衍射，提高对入射光线的调制效果。
56.在一个实施例中，所述超表面的横截面形状包括如下形状中的至少一种：矩形、圆形、梯形、椭圆形、三角形和十字形。
57.对于上述各实施提供的感光结构的形成方法，能够形成上述各实施提供的感光结构，其具有上述各实施提供的感光结构所具有的所有有益效果，在此不再赘述。
58.尽管已经相对于一个或多个实现方式示出并描述了本技术，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本技术包括所有这样的修
改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本说明书的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。
59.即，以上所述仅为本技术的实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。
60.另外，在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。另外，对于特性相同或相似的结构元件，本技术可采用相同或者不相同的标号进行标识。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
61.在本技术中，“示例性”一词是用来表示“用作例子、例证或说明”。本技术中被描述为“示例性”的任何一个实施例不一定被解释为比其它实施例更加优选或更加具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本技术，本技术给出了以上描述。在以上描述中，为了解释的目的而列出了各个细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本技术。在其它实施例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本技术的描述变得晦涩。因此，本技术并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本技术所公开的原理和特征的最广范围相一致。