對相關(guān)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(yōu)先權(quán)，其整體內(nèi)容通過引用并入本文。

政府支持陳述

本發(fā)明是在國家科學(xué)基金會授予的批準(zhǔn)號eec0812056的政府支持下做出的。政府對本發(fā)明具有一定權(quán)利。

本發(fā)明一般涉及照明領(lǐng)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(lǐng)域。

背景技術(shù)：

將室內(nèi)照明向能量高效的led系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換為以下提供眾多機(jī)會：將照明的功能從當(dāng)今的適度通/斷/調(diào)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(qiáng)工人/學(xué)生生產(chǎn)力的照明、諸如鞏固人類睡眠/清醒循環(huán)的晝夜周期轉(zhuǎn)換之類的健康效應(yīng)、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(xiàn)最高照明效力，從而消除在磷光體顏色轉(zhuǎn)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(gòu)，以提供必要的聚集gbps數(shù)據(jù)速率并且支持當(dāng)人們與其個人設(shè)備一起移動時的移動性。光具對健康和生產(chǎn)力有許多影響；頻譜以及強(qiáng)度變化對于優(yōu)化人類環(huán)境是重要的。除了來自led的改進(jìn)效力的節(jié)約之外，甚至更大的能量節(jié)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(dāng)前存在開發(fā)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(lǐng)域中需要提供將允許寬色域的智能照明，而且要求復(fù)雜控制系統(tǒng)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(dāng)今的彩色相機(jī)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(dāng)不同于傳統(tǒng)相機(jī)的角度和頻譜分辨率要求，該傳統(tǒng)相機(jī)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(dāng)今的彩色相機(jī)利用直接位于相機(jī)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(fā)技術(shù)的嘗試包括用于應(yīng)用于數(shù)字相機(jī)的顏色像素的焦平面顏色濾波器。在紅外頻譜區(qū)中已經(jīng)廣泛研究了半導(dǎo)體檢測器的表面等離子體波（spw）增強(qiáng)。典型地，在ir中，方案是耦合至束縛于金屬-半導(dǎo)體界面的spw。這允許使用更薄吸收區(qū)（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(jié)深度）。然而，該方案由于硅跨可見光譜的高且強(qiáng)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(dǎo)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(xué)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(shù)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(jīng)存在遠(yuǎn)場濾波（平面波到平面波）的許多示范，但是呈現(xiàn)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(shù)語“等離子體激元”一般覆蓋限定在金屬-電介質(zhì)界面上的擴(kuò)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(guān)聯(lián)的局部表面等離子體共振（spr）二者。spw和spr的角度響應(yīng)相當(dāng)不同，其中取決于表面周期性spw具有窄角度響應(yīng)，而spr一般具有角度無關(guān)的響應(yīng)。在任何實際等離子體結(jié)構(gòu)中，這兩個共振相互作用，從而給出復(fù)雜、波長相關(guān)的角度響應(yīng)。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(shù)相機(jī)中的趨勢所驅(qū)動。另外，許多研究已經(jīng)示范了基于通過金屬膜中的孔陣列的非凡光學(xué)透射的遠(yuǎn)場濾波器方案，在該方案中濾波器的遠(yuǎn)場透射用作頻譜選擇量。作為實現(xiàn)遠(yuǎn)場狀況所要求的長傳播距離的結(jié)果，該方案難以以方便的形狀因子實現(xiàn)，所述遠(yuǎn)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(dǎo)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(dǎo)構(gòu)成的導(dǎo)模共振（gmr）濾波器已經(jīng)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(dāng)電介質(zhì)，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(dǎo)中并且將波導(dǎo)中的傳播光子耦合回到經(jīng)反射和透射的波束中。作為該過程中固有的相移的結(jié)果，外耦合的光子鞏固經(jīng)反射的波并且破壞性地干涉經(jīng)直接透射的光以降低經(jīng)透射的功率。由于波導(dǎo)無損耗并且光柵是大的（許多波長），因此實現(xiàn)極其狹窄的共振響應(yīng)。

電信波長處的波導(dǎo)集成光學(xué)器件已經(jīng)示范了光柵耦合到波導(dǎo)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(dǎo)到單模光纖的轉(zhuǎn)換中僅有0.6db損耗。

在本領(lǐng)域中所需要的是一種設(shè)備，該設(shè)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(shè)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(dāng)大。在藍(lán)色波長（大約400nm）下，硅的吸收相當(dāng)強(qiáng)，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(jié)果，硅光電檢測器的響應(yīng)率同樣跨可見光變化。對于藍(lán)色靈敏度，結(jié)深度必須相當(dāng)淺，在短1/e吸收長度內(nèi)，該長度難以利用傳統(tǒng)cmos制作過程來實現(xiàn)。因此，本發(fā)明的另一目的是提供一種cmos兼容的p-n結(jié)技術(shù)，該技術(shù)適應(yīng)藍(lán)色光子到硅中的短穿透深度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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(hù)層；以及通過金屬隧穿到底層硅p-n結(jié)（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?zhèn)鞑サ氖`模式的光柵耦合。這些可以是束縛于金屬/電介質(zhì)界面的表面等離子體波，或者由電介質(zhì)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(dǎo)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(dǎo)體襯底和布置在半導(dǎo)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(qū)和至少一個結(jié)區(qū)，以及布置在半導(dǎo)體襯底上并且從所述至少一個耦合區(qū)延伸到所述至少一個結(jié)區(qū)的平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。平板波導(dǎo)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(qū)中和平板波導(dǎo)內(nèi)的至少一個耦合結(jié)構(gòu)。耦合結(jié)構(gòu)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(jié)區(qū)包括與電接觸件連通的p-n結(jié)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(dǎo)部分、單模波導(dǎo)部分、用于使入射光從平板波導(dǎo)部分成漏斗狀到單模波導(dǎo)部分中的絕熱錐形部分、以及基本上鄰近于單模波導(dǎo)部分形成的多個共振分插濾波器。平板波導(dǎo)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；以及光柵，布置在第一包覆層中以用于將入射光耦合到平板波導(dǎo)中。第一像素的光柵具有第一光柵周期，并且第二像素的光柵具有第二光柵周期。

在另一實施例中，存在一種cmos兼容的光電檢測器。cmos兼容的光電檢測器包括摻雜有第一載流子類型的第一半導(dǎo)體層和摻雜有第二載流子類型的第二半導(dǎo)體層。第一半導(dǎo)體層包括多個柱。第二半導(dǎo)體層配置有延伸通過第二半導(dǎo)體層的多個孔。至少一個柱延伸通過蜂窩圖案中的所述多個孔中的對應(yīng)一個。蜂窩圖案包括多個邊緣部分，所述多個邊緣部分中的每一個包括耗盡區(qū)區(qū)域中的相應(yīng)一個。

在另一實施例中，存在一種檢測電磁輻射的方法。方法包括提供2d傳感器陣列。2d傳感器陣列包括：包括多個像素的半導(dǎo)體襯底。所述多個像素中的每一個包括：至少一個耦合區(qū)和至少一個結(jié)區(qū)；布置在半導(dǎo)體襯底上并且從耦合區(qū)延伸到結(jié)區(qū)的平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；以及在結(jié)區(qū)中與半導(dǎo)體襯底形成至少一個p-n結(jié)的局部半導(dǎo)體層。平板波導(dǎo)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。像素還包括布置在平板波導(dǎo)中的至少一個光柵。所述至少一個光柵包括光柵周期。方法還包括：在耦合區(qū)處將入射光耦合到平板波導(dǎo)中；在結(jié)區(qū)域之上向該區(qū)傳播光；去耦合光使得它進(jìn)入結(jié)區(qū)；以及將光轉(zhuǎn)換成至少一個電子-空穴對，其中入射光包括至少一個經(jīng)調(diào)制的波形。

實施例的優(yōu)點將在隨后的描述中被部分地陳述，并且將根據(jù)描述部分地被理解，或者可以通過本發(fā)明的實踐而被知悉。將借助于在隨附權(quán)利要求中特別指出的元件和組合來實現(xiàn)和獲得優(yōu)點。

要理解的是，前述一般描述和以下詳細(xì)描述二者僅是示例性和解釋性的，并且不約束如所要求保護(hù)的發(fā)明。

被合并在本說明書中并且構(gòu)成本說明書的部分的附圖圖示了本發(fā)明的實施例并且與描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。

附圖說明

圖1是cmos兼容的集成等離子體檢測器的元件的截面視圖。

圖2a-2b是示出等離子體結(jié)構(gòu)的頂部上的示例性2d光柵的不同掃描電子顯微照片（sem）視圖的圖像。

圖3是使用互連層的等離子體結(jié)構(gòu)的頂部上的機(jī)械光孔的示例性實現(xiàn)的截面?zhèn)纫晥D。

圖4是放置在等離子體設(shè)備與光電檢測器之間的波長共振結(jié)構(gòu)的示例性實現(xiàn)的截面視圖。

圖5a-5b示出包括經(jīng)由被示出為框圖（圖5b）的片上電路電子接入的光電檢測器（圖5a）的密集陣列的傳感器。

圖6a是根據(jù)實施例的集成波導(dǎo)增強(qiáng)cmos兼容的全光檢測器元件的透視圖。

圖6b是根據(jù)圖6a中所示的結(jié)構(gòu)的所制作的集成波導(dǎo)增強(qiáng)cmos兼容全光檢測器元件的光學(xué)顯微照片圖像。插圖是耦合和檢測區(qū)中的光柵的sem圖像。

圖6c是集成傳感器檢測器元件的另一實施例的透視圖。

圖7a-7b圖示了實施例的波導(dǎo)濾波器的截面?zhèn)纫晥D（圖7a）和頂視圖（圖7b）。

圖8a-8b圖示了實施例的波導(dǎo)濾波器的截面?zhèn)纫晥D（圖8a）和頂視圖（圖8b）。

圖9是實施例的波導(dǎo)濾波器的頂視圖并且圖示了使用啁啾光柵來調(diào)節(jié)集成傳感器檢測器元件中的所檢測到的光的帶寬。

圖10a是實施例的波導(dǎo)濾波器的頂視圖并且圖示了彎曲光柵（圖10a）和更小檢測器元件的使用。

圖10b是實施例的波導(dǎo)濾波器的頂視圖并且圖示了組合的啁啾和彎曲光柵耦合器。

圖11是實施例的波導(dǎo)濾波器的頂視圖并且圖示了更加復(fù)雜的光柵耦合器在包括具有多個結(jié)區(qū)域的單個耦合區(qū)域的集成傳感器檢測器元件中的使用。

圖12a-12b每一個是實施例的相應(yīng)波導(dǎo)濾波器的頂視圖并且每一個進(jìn)一步圖示了使用更復(fù)雜的光柵耦合器來利用組合耦合區(qū)域?qū)⒐δ軘U(kuò)展到多個波長。

圖13圖示了包括在一端漸縮到單模導(dǎo)向器的平板波導(dǎo)的實施例，所述單模導(dǎo)向器包括基于用于隔離各種頻譜區(qū)的圓形共振回音廊結(jié)構(gòu)的分插濾波器。

圖14a是示出針對不同波長（652.3nm、532.2nm和407.8nm）的rgb激光源的單個光柵耦合的波導(dǎo)檢測器的實驗獲得的角度分辨率的圖。放大視圖示出了針對te（實線）和tm（點線）實驗（圓形）和仿真（虛點）的結(jié)果。

圖14b是示出針對rgb激光源的單個光柵耦合的波導(dǎo)檢測器的實驗獲得的角度分辨率的圖。底部圖示出關(guān)于具有320nm和380nm的光柵周期的相同波導(dǎo)的結(jié)果。320nm光柵結(jié)果在頂部圖中放大并且與模擬曲線（被示出為更粗的曲線）比較。

圖14c-14d是示出針對具有作為參數(shù)的光柵周期的特定實現(xiàn)的角度頻譜響應(yīng)的圖。

圖15是分別示出理想光電檢測器和商用光電檢測器的理想（基本極限、單一量子效率）和實際響應(yīng)率的圖。

圖16是示出所測量到的響應(yīng)率（光電流）與所制作的光電檢測器上的激光波束的位置的關(guān)系的圖。

圖17a-17c圖示了平面p-n檢測器的頂視圖（圖17a）、第一部分的截面區(qū)域（圖17b）和第二部分的截面區(qū)域（圖17b）。未示出襯底（p）接觸件。

圖18a-c是實施例的cmos兼容的蜂窩p-n檢測器的頂視圖（圖18a）、第一部分的截面視圖（圖18b）和第二部分的截面區(qū)域（圖18c）。

圖19a是示出針對具有實施例的蜂窩p-n結(jié)設(shè)備的檢測器的頻譜響應(yīng)數(shù)據(jù)與典型檢測器的平面p-n結(jié)的關(guān)系的圖。

圖19b是示出由蜂窩結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的光電流改進(jìn)的圖。

具體實施方式

現(xiàn)在將詳細(xì)參照本實施例，其示例被圖示在附圖中。在任何可能的情況下，將遍及各圖使用相同的參考數(shù)字來指代相同或相似的部分。

盡管闡述本發(fā)明的寬范圍的數(shù)字范圍和參數(shù)是近似，但是在特定示例中闡述的數(shù)字值被盡可能精確地報告。然而，任何數(shù)字值固有地包含必然由在其相應(yīng)測試測量中發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差引起的某些誤差。而且，本文所公開的所有范圍要理解成涵蓋歸入在其中的任何和所有子范圍。例如，“小于10”的范圍可以包括在最小值零與最大值10之間（并且包括該最小值和該最大值）的任何和所有子范圍，也就是說，具有等于或大于零的最小值和等于或小于10的最大值的任何和所有子范圍，例如1至5。在某些情況下，如針對參數(shù)陳述的數(shù)字值可以采取負(fù)值。在該情況下，被陳述為“小于10”的范圍的示例值可以取負(fù)值，例如-1、-2、-3、-10、-20、-30等。

僅出于說明目的而參照附圖來描述以下實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會到，以下描述本質(zhì)上是示例性的，并且可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下做出對本文所闡述的參數(shù)的各種修改。意圖在于僅將說明書和示例視為示例。各種實施例未必相互排斥，因為一些實施例可以與一個或多個其它實施例組合以形成新的實施例。

本文描述了用于led照明應(yīng)用的cmos兼容的全光（角度和波長）檢測器。在一些實施例中，全光傳感器具有頻譜（30nm）和角度（100mrad；5°）分辨率二者。另外，這樣的傳感器可以基于可縮放硅ic平臺以滿足大規(guī)模市場成本目標(biāo)，可以具有低剖面以得到寬安裝靈活性，并且不具有諸如光柵旋轉(zhuǎn)之類的任何移動部分以用于制造和操作簡化性和魯棒性。

本文描述了全光傳感器波導(dǎo)檢測器元件的實施例。實施例的檢測器元件可以合并在一個或多個像素，諸如可以被包括在cmos兼容的光電檢測器中的2d像素陣列。在這樣的實施例中，光柵耦合用于沿硅晶片的表面?zhèn)鞑サ氖`模式。束縛模式可以是被束縛于金屬/電介質(zhì)界面的表面等離子體波，如在圖1中所示的傳感器元件100、300和400中那樣，或者由電介質(zhì)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(dǎo)模式，如在圖6a的傳感器元件600、圖6c的傳感器元件600’、圖7a的傳感器元件700和圖8a的傳感器元件800中那樣。

在任一情況下，用于耦合的相位匹配條件通過方程（1）給出：

(1),

其中θin是入射角度（-1<sinθin<1），j是整數(shù)（±1,±2,…），λin是光學(xué)波長，d是光柵周期；并且kmode(λin)是典型地通過將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和入射波長考慮在內(nèi)的色散關(guān)系給出的模態(tài)波矢量。

如果光以變化的角度入射，如光例如針對安裝在墻壁上的傳感器，其中光直接來自多個照明器（即分離且擴(kuò)展的光源，諸如燈泡或led）以及還來自房間周圍的多個反射，根據(jù)耦合方程（1），以不同角度的光以不同波長被耦入。也就是說，耦合方程（1）取決于入射角度和波長二者。該問題必須被解決以提供傳感器頻譜輸出與入射角度之間的關(guān)系。由于目標(biāo)是作為入射角度的函數(shù)的頻譜，因此該相關(guān)性是所期望的。然而，必要的是從測量結(jié)果對兩個軸去卷積。因此，要求兩個測量軸分離出兩個相關(guān)性。通過改變相鄰像素上的光柵周期來提供一個測量軸。第二測量軸要求：a）檢測器有源表面上方的盲板（blind）結(jié)構(gòu)以控制入射角度，或者b）共振頻率測量結(jié)構(gòu)（類似于沿波導(dǎo)的一系列共振分插濾波器）以分離出頻譜。因此，通過直接固定一個軸，例如，作為所測量到的信號的角度（在盲板的情況下）或波長（在共振濾波器的情況下），可以從所測量到的信號導(dǎo)出另一個軸。在盲板結(jié)構(gòu)的情況下，存在設(shè)置角度的部分，并且所接收到的顏色則是光柵間距的函數(shù)。在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的情況下，存在提供角度和波長的卷積（對應(yīng)于sinθ/λ）的部分以及然后是提供波長信息的一系列共振分插濾波器。

對于電子可控led，每一個顏色可以具有獨特的電子簽名，該電子簽名可以編碼顏色，從而消除對于直接波長測量的需要。也就是說，可以電子地分離信號。該電子編碼可以在遠(yuǎn)高于人類感知的頻率下，因此它不具有對照明功能的影響。

表面等離子體波頻譜/角度檢測

在實施例的一個集合中，頻譜/角度分離利用硅檢測器頂上的等離子體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。只要re(εd+εm)<0，金屬膜就支持與金屬膜的每一側(cè)上的金屬/電介質(zhì)界面相關(guān)聯(lián)的表面等離子體波（spw）。spe是沿界面?zhèn)鞑ゲ⑶抑笖?shù)地衰減到金屬和電介質(zhì)二者中的束縛模式。

對于ag/sio2界面，跨可見光滿足該條件。對于ag/si界面，在頻譜的藍(lán)色端違反該條件，使得spw不跨整個可見光存在。因此在實施例的該集合中，耦合是到上部ag/電介質(zhì)界面。對于足夠薄的金屬，spw還調(diào)解通過金屬的透射，從而造成底層p-n結(jié)處的頻譜/角度響應(yīng)。

如圖1中所示，在一些實施例中，全光傳感器元件100可以包括半導(dǎo)體襯底111。表面等離子體波支持結(jié)構(gòu)113、光柵耦合器115和光電檢測器117可以每一個布置在傳感器元件100之上。襯底可以是硅襯底，例如p型硅襯底。雖然本文所描述的實施例中的一些包括具有n擴(kuò)散的p襯底以創(chuàng)建結(jié)區(qū)域，但是其它配置是可能的。例如，本文所描述的實施例可以替代性地包括與p擴(kuò)散一起使用的n襯底以創(chuàng)建結(jié)。光電檢測器可以包括合并在襯底111中的薄n型擴(kuò)散層119。等離子體結(jié)構(gòu)113可以利用等離子體層123形成，等離子體層123可以包括布置在襯底111之上的金屬。在某些實施例中，等離子體層123可以是薄的連續(xù)金屬片，該連續(xù)金屬片最小化所要求的制造步驟以及因而最小化生產(chǎn)成本。等離子體層123可以包括鋁，其提供藍(lán)光區(qū)中的最佳已知等離子體性能。

在某些實施例中，可以在等離子體層123與光柵115之間添加保護(hù)層125。保護(hù)層125保護(hù)等離子體層123以防空氣污染和使襯底惡化。保護(hù)層可以包括氧化鋁，可以使用蒸發(fā)、激光或電子束燒蝕或原子層沉積（ald）技術(shù)來沉積該氧化鋁。

在某些實施例中，具有低折射率的間隔物層121可以作為等離子體層的金屬片與配準(zhǔn)設(shè)備之間的間隔物而添加。這樣的間隔物通過除耦合到等離子體振子（其展現(xiàn)出漏模行為）中的光之外的零階和所有更高階所導(dǎo)致的消逝場的大幅衰減而有益于設(shè)備的頻譜響應(yīng)（選擇性）。在實施例中，低折射率電介質(zhì)層125可以包括al2o3，和/或間隔物層121可以包括sio2。

光柵可以布置在等離子體層123之上以用于耦合光到表面等離子體振子中。在某些實施例中，多個周期性結(jié)構(gòu)127（諸如多個si/空氣周期性結(jié)構(gòu)）可以用作耦合光柵115。這樣的耦合光柵具有在可見光范圍中可得到的最高折射率對比之一，因而提供高耦合效率而同時保留與cmos處理的高兼容性。在某些實施例中，耦合光柵可以被實現(xiàn)為放置在低折射率間隔物元件131（諸如電介質(zhì)，其可以是sio2）的頂部上的高介電常數(shù)元件129（半導(dǎo)體或金屬）。高介電常數(shù)元件129與低折射率間隔物元件131的這樣的組合提供與等離子體消逝場內(nèi)的周圍介質(zhì)的降低的有效折射率結(jié)合的高光柵耦合效率。這允許具有帶有較大光柵間距的相同濾波窗口，因而允許簡化制作。在某些實施例中，1d耦合光柵可以用于包含對全光傳感器的偏振靈敏度。在某些實施例中，2d方形（圖2a-2b）或2d六邊形圖案化（未示出）耦合光柵可以用于使得能夠?qū)崿F(xiàn)偏振非敏感操作。

返回圖1，光柵115的周期（例如周期性結(jié)構(gòu)127的周期）可以為近似λ/nd，其中nd是電介質(zhì)的折射率。硅/金屬界面處的表面等離子體振子未被良好限定，因為硅的介質(zhì)常數(shù)（ε）（跨可見光ε=16至ε=25）大于金屬的實部的幅度（ε~10）。替代性地，實施例耦合到等離子體層123的另一側(cè)上的等離子體振子（其可以涂敷有二氧化硅的保護(hù)間隔物層121，ε~2.25）并且通過薄金屬將光子隧穿到底層硅。換言之，全光傳感器元件100可以提供到等離子體層123上方的（低折射率）電介質(zhì)125的耦合和通過等離子體層123到底層半導(dǎo)體的透射。

傳感器元件100還可以包括至少接觸等離子體層123的表面等離子體波（spw）接觸件112和接觸n型擴(kuò)散層119的n接觸件114。傳感器元件100還可以包括p接觸件（在圖1中不可見）。

如以上所討論的，附加濾波結(jié)構(gòu)333可以用于解決如圖3中所圖示的等離子體濾波結(jié)構(gòu)的角度-波長簡并。例如，在某些實施例中，機(jī)械光孔335、335’可以用作布置在設(shè)備100之上的附加濾波結(jié)構(gòu)，如圖3中所示。機(jī)械光孔減少入射在特定設(shè)備元件上的光340的角度散布，因而消除簡并。

在某些實施例中，波長共振結(jié)構(gòu)412中的至少一個，如圖4中所示，可以合并在全光傳感器元件400中?？梢詫⒉ㄩL共振結(jié)構(gòu)412添加到元件100，如以下所描述的。例如，附加濾波結(jié)構(gòu)可以放置在等離子體層123與光電檢測器117之間，從而將圖1的元件100修改為如圖4中所示的元件100’。波長共振結(jié)構(gòu)412可以包括交替的電介質(zhì)層414、416和418，并且還可以合并層121。交替的電介質(zhì)層414、416、418和122一起被配置為若干fabry-perot共振器，該共振器具有不同的自由頻譜范圍和以僅經(jīng)過連續(xù)體的特定帶寬的這樣的方式設(shè)計的中心頻率，因而消除簡并。

在某些實施例中，完整傳感器由使用片上電子器件接入的波長/角度p-n結(jié)光電檢測器的陣列構(gòu)成。在圖5a上示出這樣的陣列的示例。陣列包括多個像素，其中每一個像素包括以上描述的全光傳感器元件100、300或400中的相應(yīng)一個。

等離子體結(jié)構(gòu)可以包括形成在諸如第一電介質(zhì)層之類的保護(hù)層與第二電介質(zhì)層之間的連續(xù)金屬片，其中連續(xù)金屬片包括銀。角度濾波結(jié)構(gòu)包括用于減少入射光的角度散布并且用于減少簡并的機(jī)械光孔。等離子體結(jié)構(gòu)還可以包括形成在第一電介質(zhì)層上的光柵化（grated）電介質(zhì)層。光柵化電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層可以每一個包括sio2和/或第一電介質(zhì)層可以包括al2o3。耦合光柵可以包括光柵化半導(dǎo)體/空氣周期性結(jié)構(gòu)。耦合光柵可以包括從布置在低折射率間隔物上的半導(dǎo)體或金屬選擇的高介電常數(shù)元件，其中高介電常數(shù)元件可以包括比低折射率間隔物更高的介電常數(shù)。耦合光柵可以包括1d耦合光柵、2d方形耦合光柵或2d六邊形圖案化的耦合光柵。第一和第二像素中的每一個還可以包括光電檢測器和波長共振濾波結(jié)構(gòu)，其中波長共振濾波結(jié)構(gòu)布置在等離子體結(jié)構(gòu)與光電檢測器之間。波長共振結(jié)構(gòu)可以包括多個fabry-perot共振器，每一個具有對應(yīng)的自由頻譜范圍和中心頻率，其中fabry-perot共振器可以配置成僅允許通過等離子體設(shè)備的光連續(xù)體的預(yù)確定帶寬的經(jīng)過。2d陣列傳感器的像素可以與片上電子器件電連通，或者它可以鍵合到讀出集成電路（roic），如圖5b中所示。2d陣列還可以包括半導(dǎo)體襯底和多個p-n結(jié)。所述多個像素可以布置在半導(dǎo)體襯底上。

電介質(zhì)波導(dǎo)頻譜/角度檢測

所有電介質(zhì)限制的導(dǎo)模提供對金屬-電介質(zhì)spw的較低損耗可替換方案。因此，在實施例中，使用與cmos兼容的si光電檢測器集成的無損波導(dǎo)，提供了到波導(dǎo)模式中的波導(dǎo)耦合以用于對可見光譜的頻譜和角度濾波。包括如本文所描述的波導(dǎo)的全光傳感器容易滿足以上描述的頻譜和角度分辨率要求，容易可縮放到陣列架構(gòu)，并且容易地將提供對于可見光通信vlc要求的rf帶寬和帶外抑制。

為了保持cmos兼容性，圖6a中的全光傳感器元件600可以包括三層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)613。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)613可以包括布置在襯底611（其可以是硅襯底）之上的第一低折射率包覆層621、高折射率限制層623和第二低折射率包覆層625（例如sio2/si3n4/sio2波導(dǎo)）。第一低折射率包覆層621和第二低折射率包覆層625可以每一個包括sio2。高折射率限制層623可以包括si3n4。波導(dǎo)層的折射率包括：sio2-1.5，si3n4~2.2。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的層可以是跨可見光譜而透明的。普通技術(shù)人員將理解到，用于波導(dǎo)層的其它材料組合是可得到的并且在沒有明確引用的情況下被包括在本文中。

在操作中，入射光640以特定波長和耦合區(qū)640’處的入射角度耦合到波導(dǎo)613，從而提供頻譜/角度濾波功能。入射光通過位于耦合區(qū)640’處的光柵耦合器615耦合到波導(dǎo)613中。光柵耦合器615包括多個電介質(zhì)格柵627。光然后從波導(dǎo)613下游從位于結(jié)區(qū)640’’的外耦合光柵615’處的耦合區(qū)外耦合到制作在底層硅襯底611中并且包括至少一個p-n結(jié)的光電檢測器617。結(jié)區(qū)域615’處的第二光柵用于將光外耦合到光電檢測器的半導(dǎo)體檢測區(qū)中。因此，第一低折射率包覆層621的厚度應(yīng)當(dāng)被選擇成確保場不明顯延伸到吸收性硅襯底611中，限制層623的厚度應(yīng)當(dāng)被選擇成在沉積方向上確保單模，并且第二低折射率包覆層625的厚度應(yīng)當(dāng)被選擇成控制耦合強(qiáng)度。

首先利用適當(dāng)?shù)膿诫s分布來限定p-n結(jié)。由于有源區(qū)域相當(dāng)大，因此一種可替換方案是使用單個擴(kuò)散過程來限定結(jié)區(qū)域。可替換地，可以使用離子注入和退火，如本領(lǐng)域中公知的那樣。在結(jié)形成之后，通過適當(dāng)?shù)某练e技術(shù)來沉積波導(dǎo)的蓋層——下部包覆、波導(dǎo)芯和上部包覆。諸如濺射、蒸發(fā)和旋涂（除其它之外）之類的技術(shù)是可用的并且是公知的。一個或多個光刻和圖案轉(zhuǎn)移步驟接下來用于限定內(nèi)耦合和外耦合區(qū)。附加的標(biāo)準(zhǔn)光刻/蝕刻/金屬沉積/退火步驟用于提供電接觸件和p-n結(jié)之上的罩蓋以保護(hù)它免于直接光照。

如圖6c中所示，集成全光傳感器元件600的可替換結(jié)構(gòu)包括波導(dǎo)613以及第一光柵627和第二光柵628。利用檢測區(qū)域之上（諸如在第二光柵615’的部分之上）的罩蓋628’，以消除對檢測器元件的直接光照。罩蓋628’可以是不透明材料，例如比~100nm更厚的金屬。分離層（未示出）取決于上部包覆的厚度和耦合器的蝕刻深度而可能是必要的。

在示例中，光電檢測器617可以包括襯底611的n摻雜區(qū)619，襯底611可以是p型襯底。全光傳感器將要求包括這樣的檢測元件的像素陣列，元件中的至少兩個具有不同的間距或取向光柵。光柵耦合器615連同單模平板波導(dǎo)613一起提供必要的角度/波長選擇性，如根據(jù)以上描述的耦合方程（1）明顯的。

波導(dǎo)的參數(shù)被選擇成提供跨可見光的單個（te、tm）模式對，從而允許使用不同光柵來調(diào)節(jié)個體像素角度/波長耦合共振。

在單模平板波導(dǎo)中，該板的模折射率跨1.5（在長波長處，例如包覆的折射率）至2.2（在短波長處，例如芯的折射率）的范圍而變化。在沒有光柵的情況下，不存在用于從頂部入射在該波導(dǎo)上的光的耦合，因為模相位速度總是慢于自由空間中的光的速度。正如spw情況中那樣，該動量不足可以利用光柵構(gòu)成。容易實現(xiàn)非常高的耦合效率，其逼近100%。由于波導(dǎo)是無損的，因此共振線寬在spw情況中小得多。所測量到的線寬是以下各項的函數(shù)：1）光柵的寬度；2）所光照的光柵寬度；以及3）光柵耦合強(qiáng)度。如以下所圖示的，其中所光照的光柵寬度在弱耦合限制中為200μm，利用200μm寬的耦合區(qū)域?qū)崿F(xiàn)~5nm的分辨率。通過以下若干技術(shù)來調(diào)節(jié)共振線寬是可能的：1）啁啾（使間距跨收集區(qū)域而變化）光柵，以及2）包括有損元件，例如但不限于波導(dǎo)中的硅納米顆粒以增加波導(dǎo)損耗。將必要的是設(shè)計共振帶寬與耦合區(qū)和檢測區(qū)之間的傳播長度之間的適當(dāng)工程折衷。

在圖7a-7b中所示的全光傳感器元件的一個實現(xiàn)中，入射光740由位于耦合區(qū)域740’處的第一電介質(zhì)耦合光柵727耦合到平板波導(dǎo)713中。當(dāng)光在金屬塊714（其被放置成屏蔽p型襯底711的n型部分719之間的p-n結(jié)）之下傳播時，位于結(jié)區(qū)域740’’處的第二外耦合光柵727’使光外耦合到半導(dǎo)體檢測區(qū)717中。如所示，耦合常數(shù)更高（例如光柵齒部更深）使得外耦合發(fā)生在相對于耦合光柵727的更短的距離中。在圖7b中，頂視圖示出兩個像素，每一個像素包括傳感器元件700中的一個并且被示出為700-1和700-2。每一個像素被示出具有光柵周期p1和p2中的相應(yīng)一個，其中像素700-1的光柵周期p1不同于像素700-2的光柵周期p2。

在圖8a中所示的另一實現(xiàn)中，取代于具有諸如元件700的第二光柵727’之類的第二（外耦合）光柵，元件800包括結(jié)區(qū)域740’’處的底座部分828。然而，元件800仍舊包括耦合區(qū)域740’處的第一光柵815。同樣位于結(jié)區(qū)域740’’處的底座部分828從襯底延伸使得來自較低折射率包覆層721的消逝場到達(dá)較高折射率硅。也就是說，外耦合光柵基于將n型部分719與p型襯底711之間的硅p-n結(jié)帶到包覆721中而被漏模外耦合所取代。因此，在該漏模幾何形狀中，場將耦合到硅中的輻射模式并且將檢測信號。制造細(xì)節(jié)在這些外耦合可替換方案之間作出決定方面將是重要的。在圖8b中，頂視圖示出兩個像素，每一個像素包括傳感器元件800中的一個并且被示出為800-1和800-2。每一個像素被示出具有類似于圖7b的光柵周期p1和p2的光柵周期中的相應(yīng)一個，其中光柵周期p1不同于光柵周期p2。

針對圖7a-7b和8a-8b的元件描述的波導(dǎo)方案具有與以上描述的實施例的spw方案相同的角度和頻譜響應(yīng)的卷積。相應(yīng)地，以上關(guān)于圖4和5a-5b呈現(xiàn)的方案同樣可以應(yīng)用在圖6a-6b的波導(dǎo)實施例中。

對于sio2/si3n4/sio2波導(dǎo)，平板波導(dǎo)的模折射率可以在大約1.5至大約2.2之間。電介質(zhì)光柵可以包括第一電介質(zhì)光柵并且平板波導(dǎo)還可以包括布置在金屬塊與半導(dǎo)體層之間的第二電介質(zhì)光柵。第二電介質(zhì)光柵可以包括高于第一電介質(zhì)光柵的耦合常數(shù)的耦合常數(shù)，使得第二電介質(zhì)光柵將光外耦合到檢測區(qū)中。第二電介質(zhì)光柵的所述多個外耦合光柵可以具有比第一多個光柵的耦合強(qiáng)度更大的耦合強(qiáng)度，從而實現(xiàn)光學(xué)信號的集中。第一和第二電介質(zhì)光柵中的每一個可以包括多個光柵齒部，并且第二電介質(zhì)光柵的齒部可以比第一電介質(zhì)光柵的齒部更厚。第一光柵周期可以不同于第二光柵周期。布置在金屬塊之下的襯底的部分可以包括將p-n結(jié)延伸到第一包覆層中的凸起部分。

在實施例中，圖8a-8b中描述的設(shè)備的p-n結(jié)可以被交錯的肖特基勢壘（未圖示）取代而不要求任何摻雜。肖特基勢壘接觸件的指部還可以充當(dāng)外耦合光柵。

如以上所討論的，可以通過改變跨耦合區(qū)的耦合光柵的間距來調(diào)節(jié)針對固定入射角度的頻譜選擇性的帶寬。這在圖9中圖示，圖9示出類似于圖示的圖6c的傳感器元件600’的傳感器元件900的頂視圖。傳感器元件900包括具有跨耦合區(qū)的可變間距的啁啾光柵915和可以為固定或啁啾的結(jié)區(qū)中的外耦合光柵915’。為了表示的簡化性，在圖9-12b中未示出防止結(jié)區(qū)域（例如圖8a中的714）的直接光照的頂部罩蓋。啁啾光柵915在調(diào)節(jié)用于特定應(yīng)用的頻譜分辨率方面將是重要的。特別地，典型發(fā)光二極管（led）具有~20至40nm的帶寬，為了確保適當(dāng)?shù)母采w，最好將測量的分辨率設(shè)置成~20nm。

耦合光柵不限于直線段。例如，在圖10a中，示出類似于圖6c的傳感器元件600’的傳感器元件1000的頂視圖。傳感器元件1000包括耦合區(qū)1040’中的彎曲光柵1015，其包括彎曲光柵段的集合。彎曲光柵1015用于將入射光聚焦在2d波導(dǎo)板（例如613）內(nèi)，以允許其中定位外耦合光柵1015’的更小有源結(jié)區(qū)域1040’’。這具有在降低的區(qū)域空間使用方面、降低的檢測器暗噪聲方面和在增加檢測器速度（降低的電容）方面具有優(yōu)點。在圖10b中，類似于圖6c的傳感器元件600’的傳感器元件1000’包括在耦合區(qū)1040’’處既彎曲又啁啾的光柵1015’’’。因此可以組合控制帶寬和聚焦以減小有源結(jié)區(qū)域的大小的啁啾。

在另一實施例中，圖11示出類似于圖6c的傳感器元件600’的傳感器元件1100的頂視圖。傳感器元件1100在具有跨結(jié)區(qū)1140’’的公共收集區(qū)域的結(jié)區(qū)域處包括多個外耦合光柵1115’-1、1115’-2和1115’-3。如圖11中圖示的，傳感器元件1100還包括三個不同的間距彎曲耦合光柵1115’-1、1115’-2和1115’-3，如在插圖中所示，該光柵被組合以形成彎曲光柵1115。例如，每一個光柵1115’-1、1115’-2和1115’-3傾斜使得焦點在距中心線的不同角度處。為了簡化，光柵1115’-1、1115’-2和1115’-3被示出為單個間距光柵，但是它們也可以是啁啾的以調(diào)節(jié)帶寬。這三個光柵被示出在底部圖中與三個耦合光柵1115’-1、1115’-2和1115’-3在相應(yīng)結(jié)區(qū)域處重疊以接收由每一個光柵跨結(jié)區(qū)1140’’收集的輻射。收集區(qū)域光柵幾何形狀的細(xì)節(jié)可以被調(diào)節(jié)成將所收集到的波導(dǎo)輻射優(yōu)化到每一個結(jié)區(qū)域中。

圖12a-b圖示了用于檢測器元件的實施例的附加收集方案。圖12a示出類似于圖6c的傳感器元件600’的傳感器元件1200的頂視圖。然而，傳感器元件1200包括交叉耦合光柵1215-1，其被示出為具有在兩個正交方向上并且位于耦合區(qū)1240’-1中的不同間距光柵。對于法向入射輻射，光柵將把相同的波長耦合到兩個結(jié)區(qū)域（例如上/下和左/右結(jié)）。對于偏離法向的入射輻射，兩對結(jié)區(qū)將耦合到不同的波長輻射，如在以上的方程（1）中所描述的。在圖12b中擴(kuò)展該概念，圖12b示出類似于圖6c的傳感器元件600’的傳感器元件1200’的頂視圖。傳感器元件1200’被示出具有耦合區(qū)1240’-2處的耦合光柵1215-2。耦合光柵1215-2包括重疊的四個啁啾和彎曲光柵，以將輸入光饋送到具有對結(jié)區(qū)域1240’’-1、1240’’-2、1240’’-3和1240’’-4的不同角度/頻譜響應(yīng)的四個結(jié)區(qū)域中，外耦合光柵1215’-1、1215’-2、1215’-3和1215’-4中的相應(yīng)多個位于該結(jié)區(qū)域。如以上那樣，耦合光柵結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)可以被調(diào)節(jié)以優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)，并且結(jié)構(gòu)的最終細(xì)節(jié)很可能將不是個體光柵結(jié)構(gòu)的簡單疊加。每一個結(jié)區(qū)域頂上的外耦合光柵被調(diào)節(jié)成對應(yīng)于每一個內(nèi)耦合光柵。這不是關(guān)鍵的調(diào)節(jié)，因為si的吸收獨立于來自輻射的表面法向的入射角度。該概念不固有地限于用于單個收集區(qū)域的四個結(jié)區(qū)域，而是可以擴(kuò)展到提供附加的功能。例如，可以存在四個（或更多個）結(jié)區(qū)，諸如用于方形（或其它形狀）耦合區(qū)域的每一側(cè)的至少一個。

在可替換的實施例中，傳感器元件可以包括波導(dǎo)插入/分出濾波器。例如，如圖13中所示，平板波導(dǎo)1313’可以漸縮到單模導(dǎo)向器1313。作為角度/頻譜組合的結(jié)果，該單模導(dǎo)向器中的頻譜將反映角度和波長的特定組合。可以基于圓形共振回音廊結(jié)構(gòu)的分插濾波器918可以被添加以隔離各種頻譜區(qū)。分插濾波器1318可以用于提供光柵耦合的光的頻譜分析。三角形區(qū)段1314’是使光成漏斗狀到單模波導(dǎo)1313中的絕熱錐形。分插濾波器可以是共振回音廊共振器并且可以造成分離的檢測器1320。因為檢測器在之前的情況中可以小得多，因此針對這樣的實施例的檢測速度可以明顯增加。這還造成光的集中，實際上是提供如與大面積檢測器相比增強(qiáng)的信噪比性能的平面“透鏡”?？梢蕴娲诨蚺c這些回音廊結(jié)構(gòu)組合使用在本領(lǐng)域中公知的其它波長共振結(jié)構(gòu)。

如以上結(jié)合圖9-12b所討論的，存在復(fù)用耦合區(qū)以提供角度/頻譜域中的某種分離的機(jī)會。平板波導(dǎo)1313’可以是以上描述的任何平板波導(dǎo)。例如，平板波導(dǎo)可以包括：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更低的折射率；以及簡單或復(fù)雜的電介質(zhì)光柵，布置在第一包覆層中用于將入射光耦合到平板波導(dǎo)中。每一個分插濾波器與結(jié)區(qū)的相應(yīng)一個連通。

此外，合并傳感器元件（諸如在2d像素陣列的像素中）的傳感器——諸如光電檢測器——可以提供受限角度范圍的檢測或?qū)捊嵌确秶臋z測。在示例中，通過使用如在例如圖3的示例中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上方的擋板來控制受限角度范圍。在這樣的配置中，方程（1）中的sinθ值固定并且僅保留一個變量。因此，每一個耦合/結(jié)區(qū)對暴露于針對單個光柵的單個波長。另一方面，對于寬角度范圍的檢測，不使用擋板并且存在滿足方程1的sinθ和λ的不同值。因此，潛在地存在從每一個耦合區(qū)傳播到每一個結(jié)區(qū)的多個波長。相應(yīng)地，智能照明系統(tǒng)可以配置有光源的布置，光源諸如是發(fā)射至少一個波長的光的至少一個發(fā)光二極管。在多個發(fā)光二極管和/或多個不同波長的情況下，每一個波長可以由智能照明系統(tǒng)標(biāo)識，例如由至少一個發(fā)光二極管廣播的相應(yīng)標(biāo)識簽名。所感測到的光可以通過智能光系統(tǒng)的底層電子器件部分而與電子簽名關(guān)聯(lián)。然而，圖13的傳感器元件實施例提供用于提供由插入/分出濾波器1318組提供的光的物理分離的可替換方案。

示例1a——波導(dǎo)檢測器元件

根據(jù)圖6a中圖示的架構(gòu)來構(gòu)造由具有下述光柵耦合的硅襯底之上的電介質(zhì)波導(dǎo)構(gòu)成的光柵耦合的波導(dǎo)檢測器元件：該光柵耦合為入射輻射既到波導(dǎo)中又從波導(dǎo)外耦合到在空間上與輸入耦合器偏移的硅p-n結(jié)中。

波導(dǎo)的參數(shù)被選擇成提供跨可見光的單個（te、tm）模式對，從而允許使用不同的光柵調(diào)節(jié)個體像素角度/波長耦合。對于第一實驗，具有1μm厚度的sio2（nsio2~1.5）下部包覆用于確保低波導(dǎo)損耗和消除到硅中的泄漏。si3n4引導(dǎo)層為200nm厚（nsi3n4~1.8）和頂部包覆被調(diào)節(jié)以控制耦合強(qiáng)度。對于在此報道的測量，頂部包覆厚度為~30nm，從而提供從~2mm（405nm）變化到~5mm（652nm）的耦合長度。耦合光柵是光致抗蝕劑光柵（100nm的厚度），其中320nm的周期在內(nèi)和外耦合（檢測器）區(qū)二者之上延伸。光電二極管是具有利用cmos兼容過程制作在硅晶片上的0.5μm結(jié)深的標(biāo)準(zhǔn)p-n檢測器。

示例1b——實驗結(jié)果

對于示例1a的經(jīng)波導(dǎo)濾波的cmos兼容的光電檢測器的初始測試，作為光源的激光器用于簡化測量。使用不同波長（652.3、532.2和407.8nm）的基于二極管的多模rgb激光器來測試所制作的設(shè)備。實驗裝置由激光光源、隨后是紅外濾波器、偏振器、長焦距透鏡和孔構(gòu)成，以提供跨~200x200μm2耦合區(qū)的均勻光照并且避免結(jié)區(qū)的任何直接光照。

在測量期間，掃描入射波束相對于光柵的光照角度，從而示范了所要求的角度/波長/偏振分辨率。所測量到的角度頻譜比理論預(yù)測更寬并且示出某種精細(xì)結(jié)構(gòu)，其很可能對應(yīng)于激光器的多模特性。對于利用亮源的這些原理證明實驗，光電檢測器在0v處偏置使得僅本征耗盡區(qū)是有源的。在每一個角度處，所測量到的光電流被歸一化到激光功率以補(bǔ)償功率波動。角度分辨率從紅色中的~0.5°變化到藍(lán)色中的~0.25°。圖14a示出針對三個波長的所測量到的光電流與激光器的功率的歸一化比率。

示例2a——經(jīng)波導(dǎo)濾波的cmos兼容的光電檢測器

將波導(dǎo)選擇成提供跨可見光的單個（te、tm）模式對，從而允許使用不同光柵調(diào)節(jié)個體像素角度/波長耦合共振。具有320nm周期的光致抗蝕劑耦合光柵（100nm的厚度）跨包括內(nèi)和外耦合（檢測器）區(qū)二者的整個設(shè)備擴(kuò)展。耦合長度從1.5mm（在405nm處）變化到3mm（在652nm處）。

示例2b——實驗結(jié)果

對于示例2a的經(jīng)波導(dǎo)濾波的cmos兼容的光電檢測器的測試，我們使用激光器作為光源以簡化測量。使用波長652.3、532.2和407.8nm的基于二極管的多模rgb激光器來測試所制作的設(shè)備。實驗裝置由激光光源、隨后是紅外濾波器、偏振器、長焦距透鏡和孔構(gòu)成，以提供跨~200x200μm2耦合區(qū)的均勻光照并且避免結(jié)區(qū)的任何直接光照。

以共振波長和角度的入射光被光柵散射并且耦合到波導(dǎo)中，傳播到結(jié)區(qū)域并且去耦合到光電檢測器中。非共振光不耦合到波導(dǎo)中并且被反射或透射到遠(yuǎn)離光電檢測器有源區(qū)的硅中并且在硅中被吸收，并且不貢獻(xiàn)于光電流。利用6弧秒的分辨率來掃描入射波束相對于光柵的光照角度。

圖14b示出針對具有相同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)但是320和380nm的不同光柵間距的兩個測量集合的所測量到的光電流與每一個激光源的入射功率的歸一化比率。針對兩個間距的結(jié)果為了清楚起見是豎直偏移的。所測量到的角度頻譜比理論預(yù)測略寬（以下討論）并且示出某種精細(xì)結(jié)構(gòu)，其很可能對應(yīng)于激光器的多模特性。線寬是裸露（沒有光柵）波導(dǎo)的散射/吸收傳播損耗和對應(yīng)于耦合區(qū)域的寬度（光柵的物理尺寸、光照點大小或耦合長度中的最小者）的頻譜寬度的卷積。在這些實驗中，激光點大?。▇200μm）是對所觀察到的線寬的主要貢獻(xiàn)。

圖14c示出針對不同光柵周期的波長與耦合角度的關(guān)系。示出光柵的多個階。（例如標(biāo)記800/2是指800nm間距光柵的第二階）。指示實驗點。圖14d示出固定角度處的波長與光柵周期的關(guān)系。指示前向和后向散射狀況二者。對于兩個圖，實線為te模式并且虛線為tm模式。

使用蜂窩結(jié)構(gòu)的高響應(yīng)率藍(lán)色增強(qiáng)cmos兼容的光電檢測器

可見光顏色（包括藍(lán)色）的改進(jìn)的響應(yīng)率和檢測是用于智能照明的光傳感器的重要規(guī)范之一。由于藍(lán)色光子的能量在可見光譜中最高，因此光電檢測器對藍(lán)色光子的響應(yīng)率基本上最低（與λ成比例）。也就是說，在硅帶隙能量（bg）以上，對于固定量子效率，響應(yīng)率隨λ/bg縮放，因為對于每一個光子吸收僅生成一個電子-空穴對而與波長無關(guān)。另外，藍(lán)色頻譜區(qū)中的硅的高吸收系數(shù)造成對于常規(guī)p-n結(jié)檢測器的低量子效率，在常規(guī)p-n結(jié)檢測器中耗盡區(qū)埋到硅中一定距離。圖15示出理想（基本極限，例如λ/bg響應(yīng)）和實際響應(yīng)率，其在較短波長處偏離理想響應(yīng)，從而確認(rèn)藍(lán)色光子遭受相對于較長波長光子的降低的靈敏度。

藍(lán)色增強(qiáng)光電檢測器在商業(yè)上是可得到的；然而，該檢測器的制作要求非標(biāo)準(zhǔn)pin過程，這使它是成本低效的。因為藍(lán)色光子的吸收系數(shù)是高的，因此它們正常在非?？拷怆姍z測器表面處（在400nm波長處，光電吸收長度為~100nm）被吸收。為了增強(qiáng)藍(lán)色光子的量子效率，人們必須使耗盡區(qū)盡可能靠近表面。這實際上非常難制作，因為表面上的p或n區(qū)需要最小厚度。然而，在其中例如在p區(qū)中制作n阱的檢測器的邊緣處，耗盡區(qū)已經(jīng)接觸表面。因此，光電檢測器的邊緣呈現(xiàn)最高響應(yīng)率。對簡單、大面積平面p-n結(jié)設(shè)備使用激光波束掃描技術(shù)的實驗（如圖16中所圖示的）確認(rèn)光電檢測器的邊緣呈現(xiàn)最高響應(yīng)率。例如，當(dāng)激光波束到達(dá)檢測器的邊緣（激光波束的方向由插圖中的指向右的箭頭指示）時存在響應(yīng)率（光電流）中的22%超調(diào)量。該增強(qiáng)很可能是低估的，因為它在波束大小上進(jìn)行平均，這限制分辨率和峰值增強(qiáng)。

相應(yīng)地，在實施例中存在具有包括p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)的cmos兼容的光電檢測器。結(jié)構(gòu)的p-n結(jié)的邊緣部分可以用于改進(jìn)檢測器響應(yīng)率。該結(jié)構(gòu)具有蜂窩外觀，其包含有源光電檢測器區(qū)域內(nèi)的大量邊緣和增強(qiáng)的p-n結(jié)區(qū)域（耗盡區(qū)體積）。

圖17a-17c圖示了具有平面結(jié)結(jié)構(gòu)的常規(guī)p-n檢測器1700的頂部和側(cè)視圖（布局和截面）。如通過分別沿圖17a的虛線a-a’和b-b取得的圖17b和17c的截面所示，平面n型層1701布置在平面p型層1703之上。兩個視圖示出跨設(shè)備，p型和n型層跨設(shè)備的所選寬度是平面的（即兩個視圖是等同的）。

同時，圖18a-18c圖示了利用結(jié)邊緣來增強(qiáng)檢測器響應(yīng)率的實施例的蜂窩p-n檢測器結(jié)構(gòu)1800的頂部和側(cè)視圖（布局和截面）。蜂窩p-n檢測器結(jié)構(gòu)包括第一半導(dǎo)體層1803和第二半導(dǎo)體層1801。第一半導(dǎo)體層1803可以摻雜有第一載流子類型（例如p型摻雜劑）并且可以包括多個柱1803’。第二半導(dǎo)體層1801可以摻雜有第二載流子類型（例如n型摻雜劑）并且可以配置有延伸穿過第二半導(dǎo)體層的多個孔?？卓梢圆贾脼榭钻嚵?。第二半導(dǎo)體層1803的含孔圖案可以被視為多個互連的開放單元。相應(yīng)地，孔可以包括開放單元的開放部分。在實施例中，開放單元可以具有任何形狀，包括任何分形形狀。

柱1803’可以延伸穿過蜂窩圖案中的多個孔中的對應(yīng)一個。在實施例中，蜂窩圖案包括多個邊緣部分，所述多個邊緣部分中的每一個包括耗盡區(qū)區(qū)域中的相應(yīng)一個。蜂窩圖案因而包括單個p-n結(jié)。

分別在圖18b和18c中示出對應(yīng)于標(biāo)記為a-a’和b-b’的割線的兩個截面。在圖18b中示出穿過第二半導(dǎo)體1801的孔的中心的割線a-a，其中柱1803’延伸穿過第二半導(dǎo)體層1801中的孔。在圖18c中示出到第二半導(dǎo)體1801的孔的側(cè)面的割線b-b’，其中第二半導(dǎo)體層1801布置在第一半導(dǎo)體1803上。沿割線b-b’的半導(dǎo)體層1801和1803的部分被配置為圖18c的常規(guī)檢測器設(shè)計中的層1701和1703。

雖然圖18a示出具有方形蜂窩晶格的蜂窩結(jié)構(gòu)，但是不同配置是可能的，只要所有p區(qū)和所有n區(qū)電連續(xù)即可。蜂窩光電檢測器中的耗盡區(qū)的更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)跨可見光的響應(yīng)率。如以上討論的，通過使耗盡區(qū)高達(dá)硅的表面來增強(qiáng)藍(lán)色響應(yīng)。對于較長波長——其中吸收深度到材料中遠(yuǎn)得多——復(fù)雜的耗盡區(qū)的增強(qiáng)體積，相比于簡單的平面結(jié)結(jié)構(gòu)，造成增強(qiáng)的響應(yīng)。擴(kuò)展的耗盡區(qū)體積還對應(yīng)于增加的暗電流和因而對應(yīng)于增加的接收器噪聲。許多自由度可用于在優(yōu)化該光電檢測器中采用。這樣的自由度包括但不限于，蜂窩單元的大小和幾何形狀、單元的深度、摻雜濃度等。對于不同使用，例如高速度、高響應(yīng)率、低噪聲，將存在不同的優(yōu)化。在本文中合并這些變型中的每一個。

蜂窩檢測器的制作不要求相比于常規(guī)平面光電檢測器的任何附加掩?；蛑谱鞑襟E。蜂窩單元可以容易地通過修改有源區(qū)的布局來實現(xiàn)。摻雜可以通過任何公知的摻雜技術(shù)（諸如擴(kuò)散或離子注入和退火）進(jìn)行。離子注入對于小蜂窩幾何形狀和對于高深度與平面尺寸縱橫比率是有利的。本文所公開的實施例的p-n結(jié)中的任何一個可以配置為p-n蜂窩結(jié)構(gòu)，諸如p-n蜂窩結(jié)構(gòu)1800。

換言之，在實施例中，存在包括第一半導(dǎo)體層的cmos兼容的光電檢測器，所述第一半導(dǎo)體層與第二半導(dǎo)體層接觸以形成p-n結(jié)，其中光電檢測器包括有源光電檢測器內(nèi)的多個邊緣部分，所述多個邊緣部分中的每一個對應(yīng)于在垂直于邊緣部分的方向上延伸到半導(dǎo)體的p和n區(qū)二者中的耗盡區(qū)，其中所述多個邊緣部分增強(qiáng)檢測器響應(yīng)率，并且還包括蜂窩結(jié)構(gòu)。

在實施例中存在一種智能照明系統(tǒng)，所述智能照明系統(tǒng)包括本文所描述的2d陣列和/或cmos兼容光電檢測器實施例中的至少一個。實施例的2d傳感器陣列和/或cmos兼容的光電檢測器可以與電子器件電連通。在實施例中，2d傳感器陣列和/或cmos兼容的光電檢測器可以凸塊鍵合到具有電子器件的硅芯片。在實施例中，2d傳感器陣列和/或cmos兼容的光電檢測器可以具有用于讀出合并在其中的“像素值”的電子器件。2d傳感器陣列和/或cmos兼容的光電檢測器可以具有跨380nm到700nm可見光譜的7至21個頻譜范圍內(nèi)的大約20nm到大約50nm的頻譜范圍。在其它實施例中可以存在具有~1nm頻譜分辨率的420個檢測器以覆蓋可見光。2d傳感器陣列和/或cmos兼容的光電檢測器可以配置成接收光在大約15°間隔處的-60°至60°（f/1.75）的極角以及沿分離120°的3至4個方位角的8個角度處的10至13個角度樣本。以上描述的至少一個實施例的2d傳感器陣列和/或cmos兼容的光電檢測器還可以包括大約150個像素。實施例的2d傳感器陣列可以被包括在cmos兼容的光電檢測器中，其中每一個像素具有極角和方位角二者中的大約10°的受限角度接受。例如，在其中每一個像素的角度接受被約束的配置中，僅一個波長耦合到每一個結(jié)區(qū)域并且不存在對于波長分離的需要。

在實施例中，存在一種使用本文所描述的2d傳感器陣列和/或cmos兼容的光電檢測器中的一個或多個的方法。例如，在使用中，光生成束縛于傳感器的金屬-電介質(zhì)界面的表面等離子體波。可替換地，光生成由波導(dǎo)的電介質(zhì)疊層限制的波導(dǎo)模式。相應(yīng)地，方法可以包括提供2d傳感器陣列。2d傳感器陣列可以包括本文所描述的任何傳感器元件。例如，2d傳感器陣列可以包括半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底包括可以布置在襯底上的多個像素。所述多個像素中的每一個可以包括至少一個耦合區(qū)和至少一個結(jié)區(qū)、從耦合區(qū)延伸到結(jié)區(qū)的布置在半導(dǎo)體襯底上的平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、以及結(jié)區(qū)中的至少一個p-n結(jié)。局部半導(dǎo)體層可以在結(jié)區(qū)中與半導(dǎo)體襯底形成至少一個p-n結(jié)。例如，局部半導(dǎo)體層可以具有第一導(dǎo)電性類型（例如摻雜有具有諸如p或n型之類的第一導(dǎo)電性類型的摻雜劑）并且襯底可以具有第二導(dǎo)電性類型（例如摻雜有具有與第一類型導(dǎo)電性相反的第二導(dǎo)電性類型的摻雜劑）。平板波導(dǎo)可以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更低的折射率。像素還可以包括布置在平板波導(dǎo)中的至少一個光柵。至少一個光柵可以包括光柵周期。方法還可以包括：在耦合區(qū)處將入射光耦合到平板波導(dǎo)中；向結(jié)區(qū)域之上的區(qū)傳播光；去耦合光使得它進(jìn)入結(jié)區(qū)；以及將光轉(zhuǎn)換成至少一個電子-空穴對，其中入射光包括至少一個經(jīng)調(diào)制的波形?？梢灾T如通過與2d傳感器陣列連通的電子器件來收集電子-空穴對，所述電子器件諸如是包括與控制器電子連通的2d傳感器陣列的智能照明系統(tǒng)的電子器件，控制器進(jìn)而控制至少一個（諸如多個）光源。

本文所描述的2d傳感器陣列和/或cmos兼容的光電檢測器包括傳感器，所述傳感器接收光學(xué)輸入（例如光場）并且將它轉(zhuǎn)換成有意義的電輸出。在實施例中，電輸出可以代表在不同入射角度下的一系列強(qiáng)度與波長關(guān)系圖線，或者等效的是在不同波長下的強(qiáng)度與入射角度關(guān)系圖線。

圖19a示出常規(guī)p-n檢測器（諸如圖17a的檢測器）和實施例的蜂窩p-n檢測器（諸如圖18a中的檢測器）的頻譜響應(yīng)。蜂窩檢測器示范了與常規(guī)檢測器相比的響應(yīng)率中的明顯改進(jìn)。圖19b示出蜂窩p-n檢測器相對于常規(guī)p-n檢測器的光電流增加。

雖然已經(jīng)關(guān)于一個或多個實現(xiàn)而說明了本發(fā)明，但是可以對所說明的示例做出更改和/或修改而不脫離隨附權(quán)利要求的精神和范圍。此外，雖然可能已經(jīng)關(guān)于若干實現(xiàn)中的僅一個公開了本發(fā)明的特定特征，但是這樣的特征可以與如對于任何給定或特定功能而言可能所期望和有利的其它實現(xiàn)的一個或多個其它特征組合。

另外，在詳細(xì)描述和權(quán)利要求中使用術(shù)語“包含著”、“包含”、“具有”、“有著”、“帶有”或其變型的程度上，這樣的術(shù)語意圖以類似于術(shù)語“包括”的方式是包括性的。如本文所使用的，例如，短語a、b和c“中的一個或多個”意味著以下中的任何一個：單獨的a、b或c；或兩個的組合，諸如a和b、b和c以及a和c；或三個a、b和c的組合。

考慮說明書和實踐本文所公開的發(fā)明，本發(fā)明的其它實施例將對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。意圖在于將說明書和示例視為僅是示例性的，其中本發(fā)明的真實范圍和精神由隨附權(quán)利要求指示。