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具有有机光电 二极管的图像 传感器及其制造方法

阅读：1022发布：2020-12-16

专利汇可以提供具有有机光电二极管的图像传感器及其制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了形成具有有机光电二极管的图像传感器的实施例。在有机光电二极管中形成沟槽以增大 PN结的界面面积，这改进了光电二极管的量子效率 (QE)。以液体形式施加有机P 型材料以填充沟槽。可以使用具有不同的功函值和厚度的P型材料的混合物以满足用于光电二极管的期望功函值。，下面是具有有机光电二极管的图像传感器及其制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种光电二极管，包括：
第一电极层；
N型层，其中，多个沟槽形成在所述N型层中，
所述多个沟槽包括
多个第一沟槽，每个所述第一沟槽具有设置成第一方向的第一长度；
多个第二沟槽，设置为横穿所述第一沟槽，并且每个所述第二沟槽具有设置成与所述第一方向垂直的第二方向的第二长度；
有机P型层，位于所述N型层上方，其中，所述有机P型层填充所述N型层中的所述沟槽；
以及
第二电极层，位于所述有机P型层上方。
2.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，所述有机P型层是共轭聚合物。
3.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，所述有机P型层由噻吩基共轭聚合物、苯并二噻吩基共轭聚合物、噻吩[3,4-c]吡咯-4,6-二酮(TPD)基共轭聚合物、二酮-吡咯-吡咯(DPP)基共轭聚合物、联噻唑(BTz)基共轭聚合物、苯并噻二唑(BT)基共轭聚合物、噻吩[3,
2-b]噻吩(TT)基共轭聚合物或它们的组合制成。
4.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，所述有机P型层由聚(3-己基噻吩)(P3HT)制成。
5.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，所述多个沟槽的每个沟槽均具有矩形截面。
6.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，所述多个沟槽围绕所述N型层的岛。
7.根据权利要求6所述的光电二极管，其中，所述N型层的所述岛为矩形、圆形或椭圆形。
8.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，所述多个沟槽形成于所述N型层的顶部中。
9.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，所述第二电极是透明的。
10.根据权利要求1所述的光电二极管，进一步包括：
电子传输层，位于所述第一电极和所述N型层之间。
11.根据权利要求1所述的光电二极管，进一步包括：
空穴传输层，位于所述P型层和所述第二电极层之间，其中，所述空穴传输层是透明的。
12.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，图像传感器是前侧图像传感器。
13.一种光电二极管，包括：
第一电极层；
多个第一沟槽，延伸到所述第一电极层中；
N型层，其中，所述N型层共形地位于多个第一沟槽上方；
有机P型层，形成于所述N型层上方，其中，所述有机P型层填充所述多个第一沟槽的剩余部分；以及
第二电极层，位于所述有机P型层上方。
14.根据权利要求13所述的光电二极管，进一步包括：
电子传输层，位于所述第一电极层和所述N型层之间，并且所述电子传输层形成所述多个第一沟槽。
15.根据权利要求13所述的光电二极管，进一步包括：
空穴传输层，位于所述有机P型层和所述第二电极层之间，其中，所述空穴传输层是透明的。
16.根据权利要求13所述的光电二极管，其中，所述第二电极层是透明的，其中，所述光电二极管是前侧图像传感器的一部分。
17.一种前侧图像传感器，包括：
有机光电二极管，在N型层和有机P型层之间的界面处具有沟槽，其中，所述N型层包括：
第一表面与所述有机P型层接触；
不平坦的第二表面，与所述第一表面相对；
衬底，具有器件和互连结构，其中，所述有机光电二极管位于所述互连结构上方；
滤色镜层，位于所述有机光电二极管上方；以及
微透镜，位于所述滤色镜层上方。
18.根据权利要求17所述的前侧图像传感器，其中，所述有机P型层填充所述沟槽以形成PN结界面。
19.根据权利要求17所述的前侧图像传感器，其中，所述有机P型层是共轭聚合物。

说明书全文

具有有机光电二极管的图像 传感器及其制造方法

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请与标题为“具有双电子阻挡层的有机光电二极管(Organic Photodiode with Dual Electron-Blocking Layers)(代理卷号TSMC2013-0287)”的美国专利申请第____号以及标题为“具有电子阻档和空穴传输层的有机光敏器件(Organic Photosensitive Device with an Electron-Blocking and Hole-Transport Layer)(代理卷号TSMC2013-0288)”的美国专利申请第____号相关。上述申请的全部内容结合于此作为参考。本申请和上述申请在同一天提交。

技术领域

[0003] 本发明涉及具有有机光电二极管的图像传感器及其制造方法。

背景技术

[0004] 包括前照式(FSI)图像传感器芯片和背照式(BSI)图像传感器芯片的图像传感器芯片广泛地用于诸如照相机的应用中。在图像传感器芯片的形成中，图像传感器(诸如光电二极管)和逻辑电路形成在硅衬底(或晶圆)上，然后在晶圆的前侧上形成互连结构。在前照式图像传感器芯片中，滤色镜和微透镜形成于互连结构上方。在BSI图像传感器芯片的形成中，在形成互连结构之后，使晶圆变薄，并且在硅衬底的背侧上形成诸如滤色镜和微透镜的背侧结构。当使用图像传感器芯片时，光投射到图像传感器上，在图像传感器中光转换为电信号。

[0005] 图像传感器芯片中的图像传感器响应于光子的刺激产生电信号。光敏器件的量子效率(QE)度量撞击器件的光敏表面的产生电荷载流子的光子的百分比。

发明内容

[0006] 为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种光电二极管，包括：第一电极层；N型层，其中，多个沟槽形成在所述N型层中；有机P型层，位于所述N型层上方，其中，所述有机P型层填充所述N型层中的所述沟槽；以及第二电极层，位于所述有机P型层上方。

[0007] 在上述光电二极管中，其中，所述有机P型层是共轭聚合物。

[0008] 在上述光电二极管中，其中，所述有机P型层由噻吩基共轭聚合物、苯并二噻吩基共轭聚合物、噻吩[3,4-c]吡咯-4,6-二酮(TPD)基共轭聚合物、二酮-吡咯-吡咯(DPP)基共轭聚合物、联噻唑(BTz)基共轭聚合物、苯并噻二唑(BT)基共轭聚合物、噻吩[3,2-b]噻吩(TT)基共轭聚合物或它们的组合制成。

[0009] 在上述光电二极管中，其中，所述有机P型层由聚(3-己基噻吩)(P3HT)制成。

[0010] 在上述光电二极管中，其中，所述多个沟槽的每个沟槽均具有矩形截面。

[0011] 在上述光电二极管中，其中，所述多个沟槽围绕所述N型层的岛。

[0012] 在上述光电二极管中，其中，所述多个沟槽围绕所述N型层的岛，其中，所述N型层的所述岛为矩形、圆形或椭圆形。

[0013] 在上述光电二极管中，其中，所述多个沟槽形成于所述N型层的顶部中。

[0014] 在上述光电二极管中，其中，所述第二电极是透明的。

[0015] 在上述光电二极管中，进一步包括：电子传输层，位于所述第一电极和所述N型层之间。

[0016] 在上述光电二极管中，进一步包括：空穴传输层，位于所述P型层和所述第二电极层之间，其中，所述空穴传输层是透明的。

[0017] 在上述光电二极管中，其中，所述图像传感器是前侧图像传感器。

[0018] 根据本发明的另一方面，还提供了一种光电二极管，包括：第一电极层；N型层，其中，所述N型层共形地位于多个第一沟槽上方；有机P型层，形成于所述N型层上方，其中，所述有机P型层填充所述N型层中的沟槽；以及第二电极层，位于所述有机P型层上方。

[0019] 在上述光电二极管中，其中，多个第二沟槽形成于所述第一电极层中，并且其中，所述多个第一沟槽直接形成于所述多个第二沟槽上方。

[0020] 在上述光电二极管中，进一步包括：电子传输层，位于所述第一电极层和所述N型层之间，并且所述电子传输层形成所述多个第一沟槽。

[0021] 在上述光电二极管中，进一步包括：空穴传输层，位于所述P型层和所述第二电极层之间，其中，所述空穴传输层是透明的。

[0022] 在上述光电二极管中，其中，所述第二电极层是透明的，其中，所述光电二极管是前侧图像传感器的一部分。

[0023] 根据本发明的又一方面，还提供了一种前侧图像传感器，包括：有机光电二极管，在N型层和有机P型层之间的界面处具有沟槽，衬底，具有器件和互连结构，其中，所述有机光电二极管位于所述互连结构上方；滤色镜层，位于所述有机光电二极管上方；以及微透镜，位于所述滤色镜层上方。

[0024] 在上述前侧图像传感器中，其中，所述有机P型层填充所述沟槽以形成PN结界面。

[0025] 在上述光电二极管中，其中，所述有机P型层是共轭聚合物。附图说明

[0026] 为了更全面地理解实施例及其优势，现将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：

[0027] 图1是根据一些实施例的图像传感器的顶视图。

[0028] 图2是根据一些实施例的图1的图像传感器的截面图。

[0029] 图3是根据一些实施例的光电二极管的截面图。

[0030] 图4A是根据一些实施例的在电极层上方形成的N型层的截面图。

[0031] 图4B和图4C是根据一些实施例的图4A的图案化的N型层的顶视图。

[0032] 图5是根据一些实施例的光电二极管的截面图。

[0033] 图6A是根据一些实施例的具有沟槽的光电二极管的电极层的截面图。

[0034] 图6B是根据一些实施例的位于图6A的电极层上方的N型层和电子传输层的截面图。

[0035] 图6C和图6D是根据一些实施例的图6A的图案化的电极层的顶视图。

具体实施方式

[0036] 应该理解，以下公开内容提供了许多用于实现多个实施例的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，并不旨在限制本发明。此外，本发明可以在多个实例中重复参考标号和/或字符。这种重复是为了简化和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的多个实施例和/或配置之间的关系。而且，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接触的方式形成的实施例，并且还可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。

[0037] 参考图1，根据一些实施例，图像传感器50提供了前照式(或前侧照明)像素100的网格。至少在本实施例中，像素100是用于记录二极管上的光的强度或亮度的光敏二极管或光电二极管。在一些实施例中，像素100的最小宽度介于约0.75μm至约1.4μm的范围内。在一些实施例中，像素100包括重置晶体管、源极跟随晶体管和转移晶体管等。在一些实施例中，图像传感器50包括电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)、有源像素传感器(ACP)或无源像素传感器。在一些实施例中，由于较低的制造成本，因此使用由有机半导体材料(非硅基材料)制成的有机光检测器(光的传感器)。这种有机半导体材料能够容易地与CMOS工艺技术集成。通常在邻近像素100的网格处提供额外的器件和电路，用于为像素提供操作环境并且用于支持与像素的外部通信。在一些实施例中，通过CMOS工艺技术制造额外的器件和电路。因此，使用具有CMOS工艺技术的有机光检测器的图像传感器称为混合CMOS图像传感器。

[0038] 如上所述，由于较低的制造成本，因此有机半导体材料是有吸引力的。然而，使用有机半导体材料的现有图像传感器具有低的量子效率(QE)或高的暗电流。因此，需要使用有机半导体材料的图像传感器具有高的QE和低的暗电流。

[0039] 图2是根据一些实施例的图像传感器50的截面图。根据一些实施例，传感器50包括硅衬底110。在一些实施例中，衬底110包括元素半导体，诸如硅、锗或金刚石。在一些实施例中，衬底110包括化合物半导体，诸如碳化硅、砷化镓、砷化铟或磷化铟。并且，在一些实施例中，提供了半导体布置，诸如绝缘体上硅和/或外延层。在一些实施例中，衬底110包括合金半导体，诸如硅锗、碳化硅锗、磷砷化镓或磷化镓铟。至少在本实施例中，衬底110包括P型硅。在各个步骤中，能够使用诸如离子注入或扩散的工艺实现全部掺杂。

[0040] 图像传感器50包括形成于半导体衬底110的前表面上的多个像素100，诸如100R、100G和100B。例如，图2中示出的像素进一步标注了分别与红、绿和蓝的示例光波长对应的
100R、100G和100B。

[0041] 图像传感器50进一步包括互连结构126，互连结构126包括额外的层，诸如第一金属层120、第二金属层122、接触件/通孔119、121、123和层间电介质(ILD)124。在一些实施例中，通过单镶嵌或双镶嵌工艺形成金属层和接触件/通孔。如果通过双镶嵌工艺形成金属层和接触件/通孔，则通过诸如电镀工艺的沉积工艺形成诸如层122的金属层和诸如通孔121的相应的通孔。接触件119连接第一金属层120与器件结构115。图2示出了接触件119连接至器件结构115的源极/漏极区114。然而，接触件119也可以连接至栅极结构113。通孔123连接器件结构115的互连件与作为像素100的一部分的像素电极层170。位于不同像素100中的器件结构115由诸如浅沟槽隔离(STI)结构的隔离结构112分隔开。

[0042] ILD124包括多层介电膜，该介电膜包括一种或多种低k材料。低k材料的介电常数低于二氧化硅的介电常数。在一些实施例中，ILD124包括碳掺杂的氧化硅、氟掺杂的氧化硅、氧化硅、氮化硅、有机低k材料或它们的组合。在一些实施例中，诸如120和122的金属层以及接触件/通孔119、121和123的导电材料包括铝、铝合金、铜、铜合金、钨、钛、氮化钛、钽、氮化钽、金属硅化物、钨或它们的组合。

[0043] 也存在额外的电路以提供适当的功能，从而处理一类正在使用的像素100以及一类正在感测的光。本领域普通技术人员将理解，所提供的红色、绿色和蓝色的波长仅出于实例的目的，并且像素100包括作为光传感器的光电二极管135。在一些实施例中，光电二极管135使用有机半导体材料。下面描述了用于形成有机光电二极管135的材料层的细节。

[0044] 在一些实施例中，在像素100之间存在光阻挡结构125。光阻挡结构125阻挡来自相邻的滤色镜层160的光的传输并且减小像素100之间的串扰(cross-talk)。

[0045] 图像传感器50设计为在操作期间接收指向半导体衬底110的前表面的光150，消除由其他物体(诸如，栅极部件和金属线)对光路的阻碍，以及最大程度地使光感测区暴露于照明光下。照明光150不限于可见光束，并且能够包括红外线(IR)、紫外线(UV)或其他合适的辐射光束。

[0046] 图像传感器50进一步包括位于钝化层130上方的滤色镜层160。钝化层130防止像素100在诸如160R、160G和160B的滤色镜以及微透镜140的形成期间受到损坏。在一些实施例中，钝化层130由介电材料制成，这些介电材料诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、聚合物(诸如聚酰亚胺、聚苯并恶唑(PBO)或苯并环丁烯)或它们的组合。滤色镜层160能够支持多个不同的滤色镜(例如，红色、绿色和蓝色)，并且放置滤色镜层160使得入射光指向并穿过滤色镜层160。在至少一个实施例中，这种滤色镜160R、160G和160B包括聚合物材料(诸如，基于丙烯酸聚合物的负性光刻胶)或树脂。在一些实施例中，滤色镜层160包括包含颜料的基于丙烯酸聚合物的负性光刻胶。在一些实施例中，滤色镜160R、160G和160B分别对应于像素100R、100G和100B。

[0047] 图像传感器50包括形成于滤色镜160R、160G和160B上方的多个微透镜140。微透镜140将照明光150聚焦向像素100R、100G和100B。

[0048] 图3是根据一些实施例的光电二极管135的截面图。每个光电二极管135具有两个电极。如图2所示，光电二极管135包括像素电极层170，像素电极层170由导电材料制成并且形成于互连结构126上方。像素电极层170形成像素100的光电二极管的阴极。在一些实施例中，电极层170的功函数小于约4.5eV。在一些实施例中，像素电极层170包括Ag、Al、Ca、Mg或其他适用的导电材料。在一些实施例中，电极层170的厚度介于约50nm至约500nm的范围内。可以通过选择材料和通过改变厚度来调整像素电极层170的功函数。在一些实施例中，通过物理汽相沉积(PVD)沉积像素电极层170。然而，也可以使用诸如化学汽相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)的其他沉积方法。

[0049] 在一些实施例中，在像素电极层170上方形成电子传输层171。电子传输层171提供帮助电子的传输并且阻挡空穴的传输的功函数。因此，电子传输层171也称为空穴阻挡层。在一些实施例中，电子传输层171的功函数具有功函值的范围。最高功函值称为最高占据分子轨道(HOMO)，并且最低功函值称为最低占据分子轨道(LUMO)。在一些实施例中，电子传输层171的LUMO介于约2.8eV至约4.5eV的范围内，并且电子传输层171的HOMO介于约6.1eV至约7.8eV的范围内。在一些实施例中，电子传输层171由LiF、TiO2、ZnO、Ta2O5、ZrO2或其他适用的导电材料制成。能够通过选择材料以及通过改变厚度来调整电子传输层171的功函数。
在一些实施例中，省略了电子传输层171。在一些实施例中，通过物理汽相沉积(PVD)沉积电子传输层171。然而，可以使用诸如化学汽相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)的其他沉积方法。

[0050] 然后，在电子传输层171或电极层170(如果不存在电子传输层171)上方沉积N型层172。N型层172和随后的P型层(其将在下面进行描述)形成P-N结光电二极管。在一些实施例中，N型层172由诸如ZnO、TiO2或其他合适的金属氧化物材料制成。在一些实施例中，N型层
172的LUMO介于约3.7eV至约4.5eV的范围内，并且N型层172的HOMO介于约6.7eV至约7.8eV的范围内。

[0051] 根据一些实施例，N型层172的厚度TT介于约50nm至约300nm的范围内。相似地，可以通过选择材料以及通过改变厚度来调整N型层172的功函数。在一些实施例中，通过物理汽相沉积(PVD)沉积N型层172。然而，也可以使用诸如化学汽相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)的其他沉积方法。

[0052] 然后图案化N型层172以形成沟槽177，从而增大N型层172的表面积，这增大了光电二极管135的P-N结的界面面积。如上所述，光敏器件的量子效率(QE)度量撞击器件的光敏表面的产生电荷载流子的光子的百分比。具有较大PN结界面面积的光电二极管能够更有效地将撞击二极管的光子转化为电荷载流子。因此，通过包括沟槽177增大了QE。在一些实施例中，与具有平坦表面的且具有较低的PN结界面面积的光电二极管相比，QE提高了约20％至约200％。

[0053] 图4A是根据一些实施例的形成于像素电极层170上方的图案化的N型层172的截面图。如上所述，在层172中形成沟槽177。在一些实施例中，沟槽177的宽度WT介于约10nm至约200nm的范围内。在一些实施例中，不同的沟槽177的宽度WT相等。然而，在一些实施例中，至少一个沟槽177的宽度WT不同于至少一个其他沟槽177。在一些实施例中，位于两个相邻的沟槽177之间的N型层172的宽度WN介于约10nm至约200nm的范围内。沟槽177的深度DT介于约
10nm至约290nm的范围内。在一些实施例中，不同沟槽177的深度DT相等。然而，在一些实施例中，至少一个沟槽177的深度DT不同于至少一个其他沟槽177。在一些实施例中，N型层172的总厚度TT介于约50nm至约300nm的范围内。在一些实施例中，位于沟槽177的底部下面至层170的表面的N型层172的剩余厚度TR介于约10nm至约290nm的范围内。通过首先以光刻胶层(未示出)图案化层172的表面，然后使用蚀刻工艺以去除未由光刻胶层覆盖的N型层172来形成沟槽177。

[0054] 图4B和图4C是根据一些实施例的图4A的图案化的层172的顶视图。图4B包括沟槽177，沟槽177为将长且固体(且连续的)条状的N型层172分隔开的长且连续的沟槽。图4C包括在X和Y方向上延伸的长且连续的沟槽177。沟槽177分隔开N型层172的岛。图4B和图4C是两个实例。也可以使用N型层172的其他配置和顶视图。沟槽177的存在增大了N型层172的表面积以与随后的P型层形成P-N结。较大的P-N结界面能够使每像素吸收更多的光，从而产生具有较高强度的电信号。

[0055] 在图案化N型层172之后，在图案化的N型层172上方沉积有机P型层173。有机P型层173由有机半导体材料制成。在一些实施例中，有机P型层173由共轭聚合物制成。例如，适用的共轭聚合物包括噻吩基共轭聚合物，诸如聚(3-己基噻吩)(P3HT)、苯并二噻吩基共轭聚合物、噻吩[3,4-c]吡咯-4,6-二酮(TPD)基共轭聚合物、二酮-吡咯-吡咯(DPP)基共轭聚合物、联噻唑(BTz)基共轭聚合物、苯并噻二唑(BT)基共轭聚合物、噻吩[3,2-b]噻吩(TT)基共轭聚合物或它们的组合。在一些实施例中，通过混合所选择的共轭聚合物(诸如P3HT)和芳香族溶剂(诸如甲苯和/或1,2-二氯苯)，然后在升高的温度下搅拌该混合物来形成有机P型层173。在一些实施例中，升高的温度为约60℃。然后通过诸如以喷嘴喷涂来将共轭聚合物和溶剂(以液体的形式)的混合物施加至N型层172的表面上。然后通过蒸发驱除溶剂。由于有机P型材料(诸如P3HT)和溶剂的混合物为流体的形式，因此当将混合物施加于N型层172的表面上时，混合物填充沟槽177并留下基本上平坦的表面178。

[0056] 在一些实施例中，P型层173的LUMO介于约2.8eV至约3.6eV的范围内，并且P型层173的HOMO介于约4.5eV至约5.6eV的范围内。诸如2.8eV和4.0eV的较低的值接近于像素电极层170(阴极)的功函数。诸如4.5eV和5.6eV的较高的值接近于阳极的功函数。

[0057] 根据一些实施例，如图3所示，位于N型层172的顶面上方的有机P型层173的厚度DP介于约20nm至约300nm的范围内。位于N型层172的底面上方的有机P型层173的厚度DPT介于约30nm至约500nm的范围内。通过使用不同类型的有机P型材料来调整P型层的厚度。P型层173和N型层172形成光电二极管的P-N结180，P-N结180为P型材料和N型材料之间的界面。

[0058] 再次参考图3，在一些实施例中，在沉积有机P型层173之后，在有机P型层173上方沉积空穴传输(或电子阻挡)层174。空穴传输层174具有帮助空穴的传输并阻挡电子的传输的功函数。此外，空穴传输层174是透明的，其允许光(如图2所示的光150)穿过并到达P-N结180。

[0059] 在一些实施例中，空穴传输层174由金属氧化物制成，诸如MoO3、WO3、NiO、CuO、V2O5等。可选地，空穴传输层174由聚合物制成，诸如聚(3,4-乙撑二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)的组合。空穴传输层174的功函数介于有机P型层173的功函数和阳极(将在下文中描述)的功函数之间。

[0060] 在一些实施例中，空穴传输层174的LUMO介于约1.5eV至约3.0eV的范围内，并且空穴传输层174的HOMO介于约4.8eV至约5.6eV的范围内。例如，PEDOT:PSS的功函数为约5.0eV。如果诸如MoO3、WO3、NiO、CuO、V2O5等的金属氧化物用于空穴传输层174，则能够通过物理汽相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或其他适用工艺沉积空穴传输层。在一些实施例中，空穴传输层174的厚度介于约1nm至约20nm的范围内。如上所述，可以通过选择材料以及通过改变厚度来调整层174的功函数。

[0061] 在沉积空穴传输层174之后，在空穴传输层174上方沉积透明电极层175。透明电极层175是透明的以允许光150照射穿过，并且透明电极层175是导电的以用作电极。用于透明电极层175的合适材料的实例包括但不限于氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟镓锌(IGZO)等。在一些实施例中，通过物理汽相沉积(PVD)沉积透明电极层175。然而，可以使用诸如化学汽相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)的其他沉积工艺或其他适用的工艺。

[0062] 在一些实施例中，透明电极层175的厚度介于约50nm至约300nm的范围内。在一些实施例中，透明电极层175的功函数介于约4.5eV至约5.5eV的范围内。可以通过选择材料以及通过改变厚度来调整层175的功函数。

[0063] 如上所述，在光电二极管135之间存在光阻挡结构125。在沉积透明电极层175之后，实施图案化工艺以去除光电二极管135之间的诸如层170至175的层。图案化工艺包括形成具有与光阻挡结构125相互关联的开口的光刻胶层(未示出)，以及蚀刻以去除像素100的材料层的位于开口下方的一部分。然后，完成蚀刻，去除剩余的光刻胶层。然后沉积不透明的介电材料以填充开口并且形成光阻挡结构125。

[0064] 图3包括由于N型层172的较大表面积而具有较大P-N结界面180的像素100。存在用于产生P-N结界面的较大面积的其他机制。图5包括根据一些实施例的光电二极管135’的截面图。光电二极管135’与上文描述的光电二极管135类似。然而，如图5所示，通过在像素电极层170’中形成沟槽来产生光电二极管135’的较大的P-N结界面180’，而对于光电二极管135，是在N型层172中形成沟槽。图5示出，光电二极管135’包括与图3的光电二极管135的层
170至175类似的多个层170’至175’。然而，通过在像素电极层170’中形成沟槽来产生N型层
172’的较大表面。

[0065] 像素电极层170’的材料和功能类似于上文所述的像素电极层170的材料和功能。如上所述，像素电极层170’由导电材料制成并且形成于互连结构126上方。像素电极层170’形成像素100的光电二极管的阴极。在一些实施例中，电极层170’的总厚度TE介于约100nm至约500nm的范围内。在图5所示的实施例中的层170’的厚度大于图4A至图4C所示的实施例中的层170的厚度。上文已经描述了适用于层170’的材料。如图6A所示，图案化层170’以形成沟槽177’。在一些实施例中，沟槽177’的宽度WT’介于约50nm至约1μm的范围内。在一些实施例中，沟槽177’的宽度WT’相等。然而，在一些实施例中，沟槽177’的宽度WT’在不同的沟槽
177’之间是不同的。沟槽177’的深度DT’介于约50nm至约450nm的范围内。在一些实施例中，沟槽177’的深度DT’相等。然而，在一些实施例中，沟槽177’的深度DT’在不同的沟槽177’之间是不同的。

[0066] 在一些实施例中，位于两个相邻沟槽177’之间的像素电极层170’的宽度WE介于约20nm至约1μm的范围内。在一些实施例中，在电极层170’中形成沟槽177’之后，在层170’上方形成电子传输层171’。电阻传输层171’在功能和材料方面类似于上文所述的层171。在一些实施例中，电子传输层171’的厚度介于约0.1nm至约20nm的范围内。

[0067] 根据一些实施例，如图6B所示，电子传输层171’覆盖像素电极层170’的表面(包括沟槽177’的表面)。在一些实施例中，可以通过物理汽相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或其他合适的方法沉积电子传输层171’。形成共形层的沉积方法将是期望的。在一些实施例中，省略了电子传输层171’。

[0068] 然后，在电子传输层171’或像素电极层170’(如果不存在电子传输层171’)上方沉积N型层172’。N型层172’类似于上文描述的N型层172。N型层172’和随后沉积的P型层形成P-N结光电二极管。根据一些实施例，N型层172’的厚度介于约10nm至约100nm的范围内。

[0069] 根据一些实施例，如图6B所示，N型层172’覆盖电子传输层171’的表面。通过物理汽相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或其他合适的方法沉积N型层172’。形成共形层的沉积方法将是期望的。由于在像素电极层170’中形成了沟槽177’，因此，N型层172’的表面积远大于具有平坦层且不形成沟槽177’的光电二极管结构。

[0070] 在沉积N型层172’之后，在图案化的N型层172’上方沉积有机P型层173’。有机P型层173’类似于上文描述的有机P型层173。根据一些实施例，如图6A所示。P型层173’填充N型层172’之间的沟槽并且留下基本上平坦的表面178’。

[0071] 位于N型层172’的顶面上方的有机P型层173’的厚度DP’介于约20nm至约300nm的范围内。位于N型层172’的底面上方的有机P型层173’的厚度DPT’介于约30nm至约500nm的范围内。通过使用不同类型的有机P型材料来调整P型层的厚度。P型层173’和N型层172’形成光电二极管的P-N结180’，P-N结180’为P型材料和N型材料之间的界面。

[0072] 在形成有机P型层173’之后，在有机P型层173’上方沉积空穴传输(或电子阻挡)层174’。空穴传输层174’类似于上文描述的空穴传输层174。然后在空穴传输层174’上方沉积透明电极层175’。透明电极层175’类似于上文描述的透明电极层175。

[0073] 图6C和图6D是根据一些实施例的图6A的图案化的像素电极层170’的顶视图。图6C包括沟槽177’，其为将长且固体(且连续)条状的层170’分隔开的长且连续的沟槽。图6D包括在X和Y方向上延伸的长且连续的沟槽177’。沟槽177’分隔开像素电极层170’的岛。图6C和图6D是两个实例。也可以使用像素电极层170’的其他配置和顶视图。例如，在图6D中，层170’(岛)的顶部的顶视图示出了矩形形状的层170’。然而，图6D的像素电极层170’可以是不同的形状，诸如，圆形、椭圆形或其他适用的形状。相似地，图6C的像素电极层170’的顶部的顶视图可以是不同的形状。像素电极层170’的岛不需是矩形的棒。像素层170’的顶部的顶视图可以是弯曲的棒或其他形状。也可以对图4B和图4C的N型层172做出相似的配置描述。

[0074] 沟槽177’的存在增大了N型层172’的表面积以与P形层173’形成PN结。与光电二极管135相似，相对于平坦的光电二极管，光电二极管135’也具有改进的QE。在一些实施例中，与没有沟槽(或具有平坦表面)的且具有较低的PN结界面面积的光电二极管相比，QE改进了约20％至约200％。

[0075] 除了如上所述的在N型层172和像素电极层170’中形成沟槽外，也可以在电子传输层171中形成沟槽。涉及形成光电二极管的剩余的工艺与对于光电二极管135和135’描述的那些工艺相似。

[0076] 在上文描述的实施例中，有机光电二极管135、135’用于图像传感器。然而，有机光电二极管也可以用于包括光电检测器的其他应用。

[0077] 提供了形成具有有机光电二极管的图像传感器的实施例。在有机光电二极管中形成沟槽以增大PN结界面面积，这改进了光电二极管的量子效率(QE)。以液体的形式施加有机P型材料以填充沟槽。具有不同的功函值和厚度的P型材料的混合物能够用于满足用于光电二极管的期望的功函值。

[0078] 根据一些实施例，提供了光电二极管。该光电二极管包括第一电极层和N型层。多个沟槽形成于N型层中。光电二极管也包括形成于N型层上方的有机P型层，并且有机P型层填充N型层中的沟槽。光电二极管进一步包括第二电极层。

[0079] 根据一些其他实施例，提供了光电二极管。光电二极管包括第一电极层和N型层。N型层形成于多个第一沟槽上方。光电二极管也包括在N型层上方形成的有机P型层，并且有机P型层填充N型层中的沟槽。光电二极管进一步包括第二电极层。

[0080] 根据又一些其他实施例，提供了前侧图像传感器。前侧图像传感器包括在N型层和有机P型层之间的界面处具有沟槽的有机光电二极管。前侧图像传感器也包括具有器件和互连结构的衬底、滤色镜层和微透镜。

[0081] 尽管已经详细地描述了实施例及其优势，但应该理解，可以在不背离由所附权利要求限定的实施例的精神和范围的情况下，在此做出各种改变，替换和更改。而且，本申请的范围并不旨在限于说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、手段、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员将容易地从本发明理解，根据本发明，可以利用现有的或今后开发的用于执行与在此所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造、材料组分、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的工艺、机器、制造、材料组分、手段、方法或步骤包括在它们的范围内。此外，每个权利要求构成一个单独的实施例，并且不同权利要求及实施例的组合均在本发明的范围内。

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