[發明專利]表面等離子體光子學電場增強型光電探測器及圖像傳感器

在審

• 申請號: 202180009429.5
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN115004386A
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 金勛
• 申請（專利權）人: 金勛
• 主分類號: H01L31/08
• 分類號: H01L31/08;G02B6/122;G02B5/00;H01L27/146;H01L31/0232;H01L31/0328
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 金星

本發明涉及一種表面等離子體光子學電場增強型光電探測器，根據一實施例的光電探測器可以吸收表面等離子體激元(Surface plasmon polariton,SPP)而生成光電流，該表面等離子體激元(Surface plasmon polariton,SPP)是表面等離子體(Surface plasmon,SP)與光波(Light wave)的光子(Photon)結合而生成。

相關申請的交叉引用

本申請對于整篇內容作為參考分別包括在本發明的以下申請要求優先權，分別為：申請日期為2020年1月14日、申請號為62/961,029的美國臨時專利申請以及申請日期為2020年7月2日、申請號為16/919,831的美國專利申請。

技術領域

本發明涉及一種表面等離子體光子學電場增強型光電探測器，更具體地，涉及一種應用以下現象的技術：通過光與金屬表面的自由電子相互作用(Coupling)引起的表面等離子體激元(Surface plasmon polariton,SPP)，與電介質之間的分界面上產生強力增強型電場(Enhanced electric field)，表面等離子體激元(Surface plasmon polariton,SPP)是作為自由電子集體振蕩的表面等離子體(Surface plasmon,SP)與光波(Lightwave)結合的形態。

背景技術

光電探測器與通常金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)結構類似，采用標準CMOS工藝制作而成，以使其在源極和漏極之間流過電流。

但，將光的入射聚集到柵極時，與光吸收層所在的柵極內多晶硅摻雜的離子、氧化膜與硅基板之間的界面、硅基板等中，光激發活動將活躍起來。并且，此時吸收能量的電荷在形成于氧化膜與硅基板之間的溝道區或者施加有驅動電壓的漏極電極等，隧穿氧化膜，使其電荷進入柵極。這種隧穿會在柵極與氧化膜之間形成電荷耗盡層，使整個柵極的電荷量發生變化。

并且，隨著隧穿的實施，電荷量和柵極電場會發生變化，這立刻會產生溝道閾值電壓的減低效果。實施隧穿之后，最終由于入射到柵極的光，在晶體管的溝道上，會誘導光電流。并且，柵極用于接受光，其形成為與外部電極連接的結構，以便于針對源自光的溝道的光電流及暗電流大小、靈敏度、動態范圍等實施：輸出信號特性調節、像素復位功能等。

通常光電探測器形成為：使柵極吸收光，引起光電轉換的結構。

這種傳統的光電探測器具有以下弊端：柵極尺寸小于入射光的波長范圍時，由于入射光直接被吸收，無法引起光激發，針對應用探測器尺寸及其結構的圖像傳感器降低像素大小時，會具有局限性。

另外，還需要進一步提升：被入射的光直接激發的電荷引起光電轉換的內量子效率。

發明內容

本發明的目的在于：使金屬層(Metal Layers)與入射光相互作用，通過介電常數不同的接合面產生的表面等離子體(Surface Plasmon,SP)和表面等離子體激元(SurfacePlasmon Polariton,SPP)實現光電轉換，使表面等離子體激元直接增強光電流。

本發明的目的在于：根據入射光和金屬層的相互作用生成的表面等離子體激元和局部電場(Localized Electric Field)效應，使被激發的電荷以絕緣膜為介質隧穿到另外的空間，使空間的電荷量和耗盡層的大小發生變化，然后，對于相鄰的電流溝道的閾值電壓產生影響，使光感應能力達到最強。

關于附加的狀態，可以通過下述詳細說明局部地提示或描述，也可以通過以上提示的發明實施例做出明確的解釋。