TWI514607B - 具紅外線抑制之光感測器及用於背光控制之感測器用法 - Google Patents
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Description
本發明乃關於光感測器及其用途。更詳言之，本發明乃關於主要響應可見光並抑制紅外光的光感測器、具有此等光感測器的系統、以及將此光感測器用於控制背光的用法。
近年來周遭光感測器的使用興趣已增加，如顯示器中作為節能光感測器，於可攜式裝置如行動電話與筆記型電腦中控制背光，作為其他數種形式的光階量測與管理。此外，由於數種原因，對於利用互補式金屬氧化物半導體(CMOS)技術來實施此種周遭光感測器有所興趣。首先，CMOS電路通常較其他技術便宜，其他技術如砷化鎵或雙極矽技術。更進一步，CMOS電路通常散失的功率會少於其他技術所散失功率。此外，CMOS光偵測器可與其他低功率CMOS裝置形成於相同基板上，該等裝置如金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。
圖1顯示傳統CMOS光感測器102的一截面，其基本上為一單一CMOS光二極體，亦稱為CMOS光偵測器。該光感測器102包含：
一N+
區104，其係高摻雜的；與一P-
區106(其可為一P-
磊晶區)，其係低摻雜的。上述所有都可能形成於一P+
或P++
基板107上，其係高摻雜的。需注意圖1與其他圖中的光感測器並非依大小比例描繪。
現在仍參考圖1，該N+
區104與P-
區106形成一PN接面，且更明確的說，係一N+
/P-
接面。此NP接面係反偏壓的，例如利用一電壓源(未顯示於圖中)為之，其造成圍繞該PN接面的一乏區。當光112射入於該光偵測器102上(更明確的說射於該N+
區104上)，電子-電洞對會產生在該二極體乏區中或其附近。電子會馬上被朝該N+
區拉去，而電洞會被朝該P-
區106推去。這些電子(亦稱為載子)被捕捉於N+
區104中並產生可測量的光電流，其可被偵測得，例如使用電流偵測器(未顯示於圖中)為之。此光電流指出該光112的強度，因此使得該光偵測器可作為一光感測器。
此一傳統光偵測器有一個問題，就是其會同時偵測可見光與不可見光，如紅外(IR)光。由圖2中可瞭解此現象，其顯示人眼的示範光譜響應。應注意人眼無法偵測IR光，其始於約800nm。因此，該傳統光偵測器的響應與人眼響應有相當大的差異，尤其是在該光112係由一白熾光源所產生，其產生大量的IR光。對於此一感測器102係用以調整背光或類似者的場合，此提供較最佳化調整少了許多的調整。
故希望提供具有較接近人眼的光譜響應的光感測器。此等光感測器可用於例如適當調整顯示器的背光或類似者。
本發明實施例係針對光感測器，其在作為周圍光感測器特別
有用，其係由於此等感測器可用以提供一類似於人眼的光譜響應。因此，本發明實施例的該等光感測器有時可稱為周遭可見光感測器。
本發明實施例亦針對裝置與系統，其具有此等光感測器。一實施例中，一系統包含：一顯示器、一做為該顯示器背光的光源、與一控制器以控制該光源的亮度。該系統也可包含一光感測器以產生一光電流，其主要代表該可見光，該控制器可基於該光電流的大小來控制該光源的亮度。或者，該系統可包含一光感測器，其可產生第一光電流與第二光電流，該第一光電流同時代表該可見光與該IR光，而該第二光電流代表該IR光。此一實施例中，該控制器可基於光電流差的大小來控制該光感測器的亮度，該光電流差係取決於該第一與該第二光電流間差距(其可為加權差距)的大小。
根據特定實施例，一光感測器包含一層第一傳導形式，並在該第一傳導形式層中包含一區第二傳導形式，並且與該第一傳導形式層形成一PN接面光二極體。此外，一氧化層係位於該PN接面下。當光(包含可見光與紅外(IR)光)射至該光感測器上時，該第一傳導層中會產生載子。由於可見光而產生的一部份載子會被該第二傳導形式區捕捉，且其會形成該光感測器產生的光電流。該等載子的其他部分，即由於該IR光產生的部份，會穿透該氧化層，並且由該氧化層吸收及/或由該氧化層下的材料吸收，且因而不會造成該光電流，因此光電流主要代表該可見光。
根據特定實施例，第一傳導形式的該層可為一P-
層，而第二傳導形式的該區可為N+
區。其它實施例中，第一傳導形式的該層可為一N-
層，而第二傳導形式的該區可為一P+
區。
根據本發明其他實施例，一光感測器包含第一傳導形式層，以及第二傳導形式的第一與第二區係於該第一傳導層中。該第二傳導形式的第一區與該第一傳導形式層形成一第一PN接面光二極體。該第二傳導形式的第二區與該第一傳導形式層形成一第二PN接面光二極體。CMOS技術中至少又一層覆蓋該第二傳導形式的第二區(但不覆蓋該第二傳導形式的第一區)，其中該至少又一層會阻擋可見光而讓至少一部分的紅外(IR)光穿透。當包含可見光與IR光的光線射至該光感測器上時，該第一傳導形式層中會產生載子。因該可見光與IR光射至該第二傳導形式的第一區上所產生的部份載子，會被該第二傳導形式的第一區捕捉，並且形成一第一光電流，其同時代表該可見光與IR光。由通過該至少又一層的IR光所產生的其餘部分載子，會被該第二傳導形式的第二區捕捉並形成一第二光電流，其代表該IR光。一光電流差，其係取決於該第一與第二光電流的差異，且其光譜響應係移除大部分的IR光。用以形成差異電流的差異可為一加權差異，其係補償至少一部分未通過該至少又一層的IR光。
根據特定實施例，第一傳導形式的該層可為一P-
層，第二傳導形式的第一區可為第一N+
區，而第二傳導形式的第二區可為第二N+
區。其它實施例中，第一傳導形式的該層可為一N-
層，第二傳導形式的第一區可為第一P+
區，而第二傳導形式的第二區可為第二P+
區。
根據某些實施例，該至少一個另一層包含一層矽化物。一些實施例中，該至少一個另一層包含一層多晶矽，其覆蓋該第二傳導形式的第二區。一層矽化物可位於該多晶矽之上。可使用多於一層的多晶矽，最上層的多晶矽之上可具有或不具有一層矽化物。
根據本發明其他實施例，一光感測器包含第一傳導形式層，以及位於該第一傳導形式層中的第二傳導形式的第一區，並與該第一傳導形式層形成一第一PN接面光二極體。一第二傳導形式井亦位於第一傳導形式層中，並與該第一傳導形式層形成一第二PN接面光二極體。此外，該第二傳導形式的第二區係位於該第二傳導形式井中，其中該第二傳導形式的第二區摻雜濃度係高於該第二傳導形式井的摻雜濃度。當包含可見光與紅外(IR)光的光線射至該光感測器上時，該第一傳導形式層中會產生載子。因入射至該第二傳導形式的第一區的可見光與IR光而產生的部份載子，會被該第二傳導形式的第一區捕捉，並且會形成一第一光電流，其同時代表可見光與IR光。其他部分的載子，其係因通過該第二傳導形式井的IR光而產生，會於該第二傳導形式井中的第二傳導形式的第二區捕捉，且其會形成一第二光電子，其係代表該IR光。一差異電流，其係取決於該第一與該第二光電流間的差異，具有一移除大部分IR光的光譜響應。用以產生差異電流的差異可為一加權差異，其補償至少一部分不通過至少一個另一層的IR光。
第一傳導形式的該層可為一P-層，該第二傳導形式的第一區可為一第一N+
區，該第二傳導形式井可為一N井，且該第二傳導形式的第二區可為一第二N+
區。抑或，第一傳導形式的該層可為一N-
層，該第二傳導形式的第一區可為一第一P+
區，該第二傳導形式井可為一P井，而該第二傳導形式的第二區可為一第二P+
區。
一些實施例中，CMOS技術中的至少一個另一層會覆蓋該第二傳導形式的第二區(但不覆蓋該第二傳導形式的第一區)，其中該至少一
個另一層會阻擋可見光而使至少一部分的紅外(IR)光穿透。根據一些實施例，該至少一個另一層包含一層矽化物。一些實施例中，該至少一個另一層包含一層多晶矽，其覆蓋該第二傳導形式的第二區。一層矽化物層可位於該多晶矽之上。可使用多於一層的多晶矽，多晶矽最上層之上可具有或不具有一層矽化物。
本發明實施例亦關於用以產生光電流的方法，該光電流主要代表可見光，因此具有類似於人眼的響應。本發明實施例亦關於用以產生差異光電流的方法，該等差異光電流的光譜響應係移除大部分的IR光，因此其具有相似於人眼的響應。本發明實施例亦關於用以控制一系統中背光的方法，該系統包含一顯示器與一作為該顯示器背光的光源。
特定實施例中，一種方法包含：產生光電流，其主要代表可見光；控制該光源(作為一顯示器的背光)的亮度，其係根據該光電流的大小而為之。該產生步驟可包含：根據接收的入射光製造載子，該入射光包含可見光與紅外(IR)光；捕捉部分的載子，該等載子係因該可見光而產生，因此此部分載子形成產生的光電流；吸收其他部分的載子，該等載子係因IR光而產生，因此該等部分的載子不形成光電流，因此光電流主要代表該可見光。
其他實施例中，一種方法包含：產生一第一光電流，其同時代表可見光與IR光；產生一第二光電流，其代表IR光。此一方法亦包含決定差異電流，其係取決於該第一與第二光電流間的差異(其可為加權差異)，其中該差異光電流具有一光譜響應，其大部分的IR光係已移除。該方法進一步包含控制該光源(作為一顯示器的背光)的亮度，其係根據該
差異光電流而為之。
此發明內容並非用以完整描述本發明實施例。本發明的進一步與替代的實施例以及特徵、觀點，與優點將於下文中的詳述、圖式，與申請專利範圍而更加清楚。
102‧‧‧光感測器
104‧‧‧N+
區
106‧‧‧P-
區
107‧‧‧P++
區
112‧‧‧光
302‧‧‧感測器
304‧‧‧N+
區
306‧‧‧P-
層
307‧‧‧基板層
310‧‧‧氧化層
312‧‧‧光
402‧‧‧光感測器
403a、b‧‧‧光偵測器
404a、b‧‧‧N+
區
406‧‧‧P-
層
407‧‧‧P++
層
408‧‧‧矽化物層
412‧‧‧光
417‧‧‧電流修整器
418‧‧‧電流提升器
419‧‧‧差動器
502、502’‧‧‧光感測器
503a、503b、503b’‧‧‧光偵測器
504a、504b‧‧‧N+
區
506‧‧‧P-
層
507‧‧‧P++
層
510、5101、5102‧‧‧多晶矽層
512‧‧‧光
522、524、526、522’、524’、526’‧‧‧光譜響應線
602、602’、602”‧‧‧光感測器
603a、603b、603b’、603b”‧‧‧光偵測器
604a、604b‧‧‧N+
區
606‧‧‧P-
層
607‧‧‧P++
層
608‧‧‧矽化物
610‧‧‧多晶矽層
612‧‧‧光
612‧‧‧N井
622、624、626‧‧‧光譜響應線
700‧‧‧液晶顯示裝置
702‧‧‧閘極驅動電路
704‧‧‧資料驅動電路
706‧‧‧混合光導與LCD面板
708‧‧‧控制器
712‧‧‧背光光源
714‧‧‧背光驅動器
716‧‧‧類比數位轉換器
Clc‧‧‧液晶單元
Cs‧‧‧儲存電容
D1至DM‧‧‧資料線
G1至GN‧‧‧閘極線
圖1所示係傳統CMOS光偵測器型的光感測器的截面圖。
圖2所示係人眼的示範光譜響應示意圖。
圖3所示係根據本發明一實施例的光感測器的截面圖。
圖4A所示係根據本發明另一實施例的光感測器的截面圖。
圖4B所示係一高階方塊圖，其解釋由圖4A光感測器的兩個光電流間的差異是如何決定的。
圖5A所示係根據本發明另一實施例光感測器的截面圖。
圖5B所示係利用圖5A的光感測器達成的模擬光譜響應示意圖。
圖5C所示係圖5A中所示光感測器的變化的截面圖。
圖5D所示係利用圖5C的光感測器達成的模擬光譜響應示意圖。
圖6A所示係根據本發明又另一實施例的光感測器的截面圖。
圖6B所示係利用圖6A的光感測器達成的模擬光譜響應示意圖。
圖6C所示係類似圖6A之光感測器的截面圖，但也包含該圖4A感測器的特徵。
圖6D所示係類似圖6A之光感測器的截面圖，但也包含該圖5A感測器的特徵。
圖7所示係一系統的高階方塊圖，其包含LCD顯示器與本發明的其中
一個光感測器，其用以提供根據本發明一實施例的系統，其可控制背光。
圖8A根據本發明實施例概括特定方法，其用以控制一系統中的背光，該系統包含一顯示器與一作為該顯示器背光的光源。
圖8B提供圖8A的步驟之一的額外細節。
圖9根據本發明實施例概括其他替代方法，其用以於一系統中控制背光，該系統包含一顯示器與一作為該顯示器背光的光源。
光係以一特性深度被吸收，其係取決於光的波長。對於某些波長，例如範圍在約400至700nm的可見光，該吸收深度約在3.5微米或更少。相反的，對IR光來說，該吸收深度係大於可見光的吸收深度。舉例來說，對800nm的IR光來說，吸收深度約為8微米；而對900nm的IR光來說，吸收深度則大於20微米。本發明實施例則利用此現象，其將描述於下文中。
圖3係根據本發明實施例的CMOS光感測器302的截面圖。該光感測器302包含一N+
區304，其係位於一比較淺的P-
層306中，其下有一氧化層310。該氧化層310可為如二氧化矽，但不限於此。該P-
層306可為一P-
磊晶層，但不限於此。
根據特定實施例，該N+
區304的深度或厚度範圍約為0.05至0.15微米，且該P-
層306的深度或厚度範圍約為0.1至0.3微米，而該P-
層306的厚度較佳而言約為該N+
區304厚度的兩倍。根據特定實施例，該氧化層310厚度為IR光的四分之一波長的奇數倍。假設為800nm的IR光，則因此其四分之一波長為200nm(即0.2微米)，該氧化層的厚度可為0.2
微米、0.6微米、1.0微米等等。
當光312(其同時包含可見光與IR光)射至該感測器302的N+
區時，可見光光子的一大部份皆由該N+
區304與該P-
區306吸收。此等光子會由該感測器302形成光電流。相反的，該IR光的大部份皆會穿透該氧化層310，且會被該基板層307(舉例來說，其可為矽層)吸收，並因此不對該感測器302所產生的光電流有所貢獻。此狀況中，該IR光對於光電流的貢獻大量減少，且較可能會全無。由於該感測器302產生的光電流主要由可見光形成，因此該感測器302具有較該傳統感測器102更接近人眼的光譜響應。
另一方面來說，當包含可見光與紅外光的光312射至該光感測器302上時，P-
層306中會產生載子。由可見光導致產生的一部份載子被該N+
區捕捉，並且造成由該光感測器302產生的光電流。其他部份由於穿透該氧化層310的IR光所產生的載子，其會由該氧化層310或氧化層310下的材料307而與該二極體隔絕，因此不對該光電流有所貢獻。此現象使得光電流主要代表可見光。
配合圖3所描述的實施例可利用絕緣層上覆矽(SOI)技術來製造，其中一薄矽層係於一絕緣層(如二氧化矽)上，其轉而位於一主體基板(如所知為操作晶圓)上。此使得包含電路結構的主動矽層可與該主體基板絕緣。回頭參考圖3，該P-
區306可為一薄的主動矽層，該氧化物310可為一絕緣層，且該基板307可為一主體基板。根據特定實施例，可移除該主體基板(如307)以抑制該主體基板可能會發生的反射。當此發生時，穿透氧化物絕緣層310的IR光會被晶片封裝材料吸收，該材料如環氧樹脂
或鑄模化合物。
配合圖3描述的實施例也可利用藍寶石基底矽晶片(SOS)技術，其中一薄矽層係成長於一藍寶石(Al2O3)基板上，後者係一氧化物。回頭參考圖3，該P-
區306可為一薄的主動矽層，且該層310與307係以一單一藍寶石層取代。
圖3中顯示氧化層上有一單一PN接面，但本發明實施例亦包含單一氧化層上有多個此等PN接面，或有多個該氧化層。換句話說，本發明實施例也包含複數個此等光偵測器，其係共同用以產生一光電流。熟習本技藝人士可了解此等複數個光偵測器也可運用於下面將描述的實施例中。這些拒絕IR的方法可替換為利用一P+
/N-
光二極體結構而完成，如下文中將更詳細描述。
圖4A為一CMOS光感測器402的截面圖，其係根據本發明另一實施例。該光感測器402係顯示為包含兩個光偵測器403a與403b，其較佳而言係彼此以足夠距離間隔，使其可考慮為彼此實質互相隔絕。此外，附帶地或替換地，該等兩個光偵測器403a與403b係可利用一絕緣區(未顯示於圖中)而彼此隔絕。
該光偵測器403a於一P-
層406中包含一N+
區404a，其基本上與配合圖1描述的傳統光偵測器相同。因此，當光412射至該光偵測器403a上，由該光偵測器403a產生的光電流將會同時代表射至該偵測器上的可見光與IR光。
另一個光偵測器403b也類似地於該P-
層406中包含一N+
區404b，前者可為一P-
磊晶區。然而，該光偵測器403b的N+
區係由矽化物層
408覆蓋，其係該CMOS製程所固有的。此矽化物層408對可見光係不透明的(即可見光不可通過)，然而可讓一部份的IR光通過。因此，當光412射入至該光感測器402上時，由該光偵測器403b產生的光電流不代表射於該偵測器上的可見光，而代表射於該偵測器上的IR光。
因此，該感測器402產生第一光電流，其同時代表可見光與IR光；並產生第二光電流，其代表IR光。根據本發明實施例，藉由決定此等光電流間的差異，可產生一主要代表可見光的差異光電流。此一差異光電流對應接近人眼的光譜響應。
另一種方法來說，該光感測器402包含P-
層406，其中含有N+
區404a與404b。該N+
區404a與P-
層406形成一第一PN接面光二極體403a，而該N+
區404b與該P-
層406形成一第二PN接面光二極體403b。該矽化物層408係CMOS技術中固有的，其覆蓋該N+
區404b(而非該N+
區404a)以阻擋可見光，並使至少一部份的IR光可通過。當同時包含可見光與IR光的光412射至該光感測器402上時，載子係於該P-
層中產生。由於可見光與IR光射至該N+
區404a上時所產生的部份載子係被該N+
區404a捕捉，並且形成第一光電流，其同時代表可見光與IR光。另一部份由通過矽化物層408的IR光所產生的載子會被該N+
區404b捕捉，並且形成第二光電流，其代表該IR光。一差異光電流，其係取決於該第一與第二光電流間的差異(可能為一加權差異)，且其光譜響應係至少去除IR光的主要部份。
該矽化物層408的厚度係依CMOS製程而變化，且一般係於約0.01微米至0.04微米的尺度上，但不限於此。此厚度會影響穿透該矽化物層408並形成該偵測器403b的光電流的IR光的量。即使是很薄的矽化
物層408也會阻擋一些IR光。因此，根據本發明特定實施例，會使用根據經驗的加權係數，用以補償光偵測器403b產生的光電流，其僅代表部份射至該光偵測器403b上的IR光。
圖4B顯示此一加權減除如何完成，例如利用一電流修整器417及/或電流提升器418，與差動器419。該差動器419可為一差動放大器，但不限於此。該電流修整器與電流提升器可利用具適當增益的放大器來完成，其提供所希加權。如本發明每一個實施例中，適當的加權值可取決於各種不同方法。舉例來說，可利用模擬、試誤性實驗、或理論計算來獲得。更有可能係結合此等技術以適切地選擇適宜加權係數。舉例來說，模擬及/或理論計算可用以決定適當的加權係數(舉例來說，其可得出放大器電路電阻的特定值)，並接著利用試誤性實驗以微調該等係數/值。光電流也可能會轉換為電壓(如利用轉阻放大器)，且該電壓可適當調整，且可決定電壓差異。這些只是一些例子，其並非用以限制。熟習本技藝人士可了解，許多其他用以調整電流及/或電壓的方法皆屬於本發明精神範疇中。舉例來說，可編譯裝置(如一可編譯的數位類比轉換器(DAC))可用以適當調整電壓及/或電流。利用可編譯裝置的一優點為其可選擇性調整適當增益，其係基於例如溫度的額外變異而為之。亦應注意電流訊號或電壓訊號可轉換至數位領域，且此等訊號的進一步處理(如調整一或多個訊號以及決定訊號間的差異)可執行於該數位領域中，而非利用類比成份。此數位領域處理可利用專屬性數位硬體或通用目的處理器來進行，如利用一微處理器。決定出該差異光電流的其他技巧亦屬於本發明範疇中。
圖5A為根據本發明另一實施例的CMOS光感測器502的截
面圖。圖中所示該光感測器502包含兩個光偵測器503a與503b，其較佳而言係以足夠間隔彼此分離，使其可視為彼此實質隔絕。附帶地或可代換的，該等兩個光偵測器503a與503b可利用一隔絕區(未顯示於圖中)互相隔絕。
該光偵測器503a於一P-層506中包含一N+
區504a，其基本上與參考圖1所描述的傳統光偵測器相同，且與圖4A描述的光偵測器403a相同。因此，參考前文中描述可得光偵測器503a的額外細節。當光512射至該光偵側器503a上，由該光偵測器503a產生的光電流會同時代表射至該偵測器上的可見光與IR光。
另一偵測器503b也於P-
層506中包含一N+
區504b。然而，該光偵測器503b的N+
區係由一多晶矽(Poly-Si)層510所覆蓋，後者係CMOS製程中固有的。此一多晶矽層510一般係用以形成CMOS電晶體的閘極，且其對於可見光係不透明的(即可見光不可通過)，但可讓部分的IR光通過。因此，當光512射至該光偵測器503b上時，由該光偵測器503b所產生的該光電流並不代表射至該偵測器上的可見光，而會代表射至該偵測器上的IR光。
因此，該感測器502產生：第一光電流，其同時代表可見光與IR光；第二光電流，其代表IR光。根據本發明實施例，藉由決定此等光電流間的差異可產生一主要代表可見光的差異光電流。此一差異光電流因此係代表人眼的光譜響應。
就另一方面來說，該光感測器502於該P-
層506內包含N+
區504a與504b。該N+
區504a與該P-
層506形成第一PN接面光二極體503a，而該N+
區504b與該P-
層506形成第二PN接面光二極體503b。該多晶矽層
510係CMOS技術故有的，其覆蓋該N+
區504b(而非該N+
區504a)以阻擋可見光並使至少一部份的IR光通過。當包含可見光與IR光的光512射至光感測器502上時，P-
層中會產生載子。由射至該N+
區504a上的可見光與IR所產生的一部份載子會被該N+
區504a捕捉並形成第一光電流，其同時代表可見光與IR光。其他部分由通過該多晶矽層510的IR光所產生的載子會被該N+
區504b捕捉並形成第二光電流，其代表IR光。決定出該第一與第二光電流間的差異(可能為加權差異)所產生的差異光電流，其光譜響應至少移除大部分IR光。
圖5B所示係利用圖5A的光感測器502所得到的模擬光譜響應圖。參考圖5B，該線522顯示一般光偵測器503a的模擬光譜響應，而線524顯示光偵測器503b的模擬光譜響應，該偵測器503b係由該多晶矽層510覆蓋。線526顯示與該差異光電流相關的差異響應，其中來自該光偵測器503b的光電流大小係乘上加權係數1.42(亦稱為歸一化係數)。前述參考圖4B的相關技術可用以產生差異光電流。其它用以決定該差異光電流的技術也於本發明範疇內。
一替代實施例中，一層矽化物係形成於該光偵測器503b的多晶矽層510之上，其造成一種實施例，即結合了圖5A與4A的實施例的特徵。
圖5C中顯示的另一實施例中，一感測器502’包含光偵測器503a與光偵測器503b’，且後者具有兩層多晶矽5101與5102，其係形成於該N+
區504b上。圖5D為一圖示，其顯示利用圖5C的光感測器502’所達成的模擬光譜響應。參考圖5D，該線522’顯示該一般光偵測器503a的模擬光
譜響應，而該線524’顯示該光偵測器503b’的模擬光譜響應，後者係由兩多晶矽層5101與5102所覆蓋。線526’顯示差異響應，其中來自該光偵測器503b’的光電流的大小係乘上一歸一化係數1.42。上述參考圖4B的相似技術也可用以產生差異光電流。其它用以決定該差異光電流的技術也包含於本發明範疇中。
若為所希，則可加入更多層多晶矽。一替代實施例中，該光偵測器503b’的最頂端多晶矽層(如5102)上會形成一層矽化物，其形成一實施例，即結合圖5C與4A的實施例的特徵。
回頭參考圖2，可看到人眼的光譜響應高峰在約550nm。回頭參考圖5B與5D中的線526與526’，可見感測器502與502’的模擬差異光譜響應高峰出現在400nm與500nm間。根據本發明特定實施例，一綠色濾光片(如約550nm濾光片)可置於感測器502與502’上，以使得該差異響應的高峰更接近550nm。
圖5A與5C的實施例以及圖4A的實施例中，該等光感測器各包含一一般光偵測器與另一光偵測器，該另一光感測器上至少覆蓋有一層CMOS技術的固有層，其阻擋可見光而可使一部分IR光穿透。CMOS技術所固有的該(等)層可為一矽化物層、一或更多的多晶矽層，或其結合，但不限於此。此外，圖5A與5C的實施例與圖4A的實施例中，一差異係取決於(更可能為加權差異)由兩個光偵測器所產生的光電流之間，該差異光電流的響應(稱為差異響應)類似於人眼響應。
圖6A為根據本發明另一實施例的CMOS光感測器602的截面圖。該光感測器602係顯示為包含兩個光偵測器603a與603b，其較佳而
言係彼此相隔足夠距離，使其可視為彼此實質隔絕。額外地或是可替代的，該等兩個光偵測器603a與603b也利用分隔區(未顯示於圖中)與另一者分隔。
該光偵測器603a於P-
層606中包含N+
區604a，且其基本上係與傳統光偵測器相同，如參考圖1描述的傳統光偵測器以及參考圖4A討論的光偵測器403a。因此，光偵測器603a的額外細節可參考前文之描述。當光612射至該光偵測器603a上時，由該光偵測器603a產生的光電流同時代表射至該偵測器上的可見光與IR光。
另一光偵測器603b於該P-
層606中包含一N井612，且於該N井612內有N+
區604b，該N+
區較該N井612更為重摻雜。此處，該光二極體603b的PN接面發生於該N井612與該P-
層606間，後者可為一磊晶層。較佳而言，該N井612足夠深以吸收可見光的光子，因此減少(最好是避免)該光偵測器603b所產生的光電流中有可見光的貢獻。相反的，IR光的光子會更深地穿透該光偵測器603b，至該N井612以下。此會造成該光偵測器603b產生一光電流，其主要代表該光612的IR部份。
就另一方面來說，該光感測器602於P-
層606中包含該N+
區604b與N井612。該N+
區604b係於該N井612中。該N+
區604a與P-
層606形成一第二PN接面光二極體603a。該N井612與P-
層606形成一第二PN接面光二極體603b。當包含可見光與IR光的光612射至該光感測器602上時，該P-
層中會產生載子。由射至該N+
區604a上的可見光與IR光產生的部份載子會被該N+
區捕捉，並形成第一光電流，其同時代表可見光與IR光。另一部分由通過該N井的IR光所產生的載子會被N井612中的N+
區604b
捕捉，並形成一第二光電流，其代表IR光。藉由決定該第一與第二光電流間的差異而產生一差異光電流，其光譜響應中至少移除IR光的主要部份。
根據特定實施例，該N井612的深度範圍從約1至3微米，且該N+
區604b的深度約從0.2至0.5微米。
圖6B顯示利用圖6A的光感測器602所達成的模擬光譜響應，其中該N井612的深度為2微米。參考圖6B，該線622顯示一般光偵測器603a的模擬光譜響應，而線624顯示偵測器603b的模擬光譜響應，該偵測器603b於N井612內具有N+
區604b。線626顯示與差異光電流相關的差異響應，其中來自光偵測器603b的光電流的大小係乘上歸一化係數1.20。與上文中參考圖4B的描述類似的技術可用以產生該差異光電流。其他用以決定差異光電流的技術也都在本發明範疇內。
根據本發明顯示於圖6C中的另一實施例，感測器602’係類似於感測器602，除了一層矽化物608(類似於參考圖4A所述之矽化物408)形成於該N+
區604b之上以形成一光偵測器603b’。此會造成一實施例，其結合圖6A與4A的實施例的特徵。
根據本發明顯示於圖6D中的又另一實施例，一感測器602”係類似於感測器602，除了一層多晶矽610(類似於參考圖5A所述之多晶矽層510)形成於該N+
區604b上以形成一光偵測器603b”。此會造成一實施例，其結合圖6A與5A的實施例的特徵。此外，多晶矽層610上可形成一矽化物層。該多晶矽層610上可形成一或多層的多晶矽，如前文中參考圖5C所述。該頂端的多晶矽層上可形成一矽化物層。
上述實施例中，N+
區係描述為位於或植入於P-
層中。舉例來
說，圖3實施例中，該N+
區304係位於或植入於該P-
層306中。抑或，區304可為P+
區，而層306可為N-
層。又舉另一例來說，圖4A實施例中，N+
區404a與404b係顯示為植入於該P-
層406中，後者係於一P++
層407上。替代實施例中，該半導體傳導材料係逆轉的。也就是重摻雜P+
區可植入輕摻雜N-
層，而於一重摻雜N++
層之上。類似的變化也可應用於本發明其他實施例中。此等變化的每一者也都於本發明範疇中。
本發明實施例的該等光感測器可作為周圍可見光感測器，例如用以控制可攜式裝置中的背光，如行動電話及筆記型電腦中，且可用於其他各種形式的光階量測及管理。「周圍可見光感測器」一詞係用於本文中，相對於僅為「周圍光感測器」，乃由於本發明實施例的感測器主要響應可見光，其係藉由抑制或減少IR光響應。沒有此等抑制或減少，則感測器的響應會與人眼響應有極大的差異。相反的，藉由抑制或減少該IR光響應，該感測器的響應會類似於人眼的響應，其可提供更佳的背光控制。
該等周圍可見光感測器也有益處，因為其實現CMOS技術，其一般說來較其他技術便宜，其他技術為如砷化鎵或雙極矽技術。更進一步，CMOS電路相較於其他技術通常消耗較少功率。此外，CMOS光感測器可形成於與其他低功率CMOS裝置相同的基板上，該等裝置如金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。
本發明實施例的該等光感測器可用於許多環境中，例如如同上述於LCD顯示器環境中，或是下文將參考圖7描述的環境中。本發明實施例也針對系統與裝置，其包含前述的創新光感測器。此等裝置可例如一筆記型電腦、一行動電話、一音樂播放器、可攜式DVD播放器等等。
圖7為根據本發明一實施例的一液晶顯示(LCD)裝置700的高階圖示，其可為如面板中的閘極驅動器(GIP)型的LCD裝置。該LCD裝置係顯示為包含一控制電路700、一閘極驅動電路702、一資料驅動電路704、與一混合光導與LCD面板706。該閘極驅動電路704有時稱為閘極線驅動器。該資料驅動電路704有時稱為源極線驅動器。該LCD裝置也顯示為包含閘極線G1至GN以及資料線D1至DM，其係相互交叉。
每一閘極線G1至GN與每一資料線D1至DM的交叉處為一薄膜電晶體(TFT)，如一多晶矽或非晶矽TFT。TFT的閘極連接至閘極線G1至GN中的一條，TFT的源極連接至資料線D1至DM中的一條，而TFT的汲極連接至液晶單元Clc的一端點(有時稱為像素電極)。該Clc的另一端點連接至一共同電壓(Vcom)。一儲存電容Cs也顯示為與該Clc並聯，其係於該TFT的汲極與Vcom間。該TFT、Clc，與Cs可合稱為一像素。該等像素係於LCD面板706中排列為矩陣。
該閘極驅動電路702具有複數個閘極線輸出G1至GN，其依序驅動該面板706的閘極線G1至GN，其係藉由提供閘極驅動脈衝而為之，有時稱為掃描脈衝或閘極線訊號。
圖7也顯示一背光光源712，其可為如一發光二極體(LED)陣列，其為該LCD面板706提供背光。此一LED陣列可例如一RGB陣列，其係配置以提供白光，或是該陣列可包含白色LED。圖7中也顯示一背光驅動器714與一控制器708。該背光驅動器714亦可能實現於該控制器708之中。
圖7的該系統亦包含一抑制IR的光感測器，其可為前述本
發明各種實施例中的任何一種光感測器(即402、502、502’、602、602’或602”)。根據本發明特定實施例，該抑制IR的光感測器可作為周圍可見光感測器，其提供一類似於人眼的光譜響應，且其係用以調整該背光光源712的亮度。
更具體地說，若使用該光感測器402，該感測器可產生一主要代表可見光的光電流。該控制器可基於此一光電流的大小調整該背光。該控制器可決定該訊號大小，例如利用一類比數位轉換器(ADC)716將該光電流轉換為數位訊號，並將該數位訊號供應至該控制器708。
抑或，該光感測器502、502’、602、602’或602”可用以產生：第一光電流，其同時代表可見光與IR光；第二光電流，其代表IR光；因此會有一差異光電流藉由決定該第一與第二光電流間的差異而產生，其具有移除大部分IR光的光譜響應。該差異光電流可由如參考圖4B於前文中描述的方法產生，其顯示一加權減除是如何完成的，例如利用一電流修整器417及/或一電流提升器418與一差動器419為之。抑或，第一與第二光電流可皆由個別ADC 716轉換為數位訊號，且該控制器708可決定該第一與第二光電流間的差異(其可為一加權差異)。該光電流也可能在提供至ADC 716或差動器前先轉換為電壓。任一種方法中，該控制器可決定該差異光電流的大小，並基於該大小來控制該背光源的亮度。
該控制器708可如前述接收一或多個訊號，且可利用此(等)訊號監控周圍光。基於周圍光大小，該控制器708可調整該背光的亮度，以為周圍光大小而維持背光的適當量，並於適當時節省功率。換句話說，該等光感測器402、502、502’、602、602’或602”可用於回饋迴圈中以控制
背光。
該背光亮度越大，則對比就越大，其於高周圍可見光中提供顯示器較佳的畫面。相反地，當該周圍可見光較低時，則觀賞顯示器所需的對比則較小。因此，為了減少背光造成的功率消耗，當該周圍可見光較低時，會使用較少的背光。因此，該控制器708可調整背光光源712的亮度，使得背光會隨著周圍可見光減少而降低(以節省功率)，且該背光會隨周圍可見光增加而增加。該控制器708可直接控制該背光源712，或是經由該背光驅動器714來控制。
圖7顯示該光源可如何用以調整該TFT LCD顯示器的背光。然而，本發明的實施例不限於用於此等顯示器。本發明實施例可用於其他種背光型的顯示器，例如OLED顯示器，但不限於此。此等背光顯示器可例如可攜式裝置的一部份，例如具有顯示器的行動電話、筆記型電腦、MP3或其他音樂播放器、可攜式DVD播放器等等。
本發明的一些實施例也針對產生光電流的方法，該等光電流主要代表可見光而非IR光。換句話說，本發明一些實施例也針對提供光感測器的方法，該等光感測器具有類似於人眼的光譜響應。此外，本發明實施例也針對利用上述光感測器的方法，以及使用此等感測器的系統與裝置。
圖8A的高階流程圖摘錄一些根據本發明實施例的特定方法，其係用以於一系統中控制背光，該系統包含一顯示器(如706)與一作為該顯示器背光的光源(如712)。步驟802中，產生一光電流，其主要代表可見光。步驟804中，該光源的亮度係基於該光電流的大小而控制，其係根據前述任何一種方法。圖8B的高階流程圖提供步驟802一些額外的細
節。參考圖8B，步驟812中，隨著接收入射光會產生載子，其中該入射光包含可見光與紅外(IR)光。步驟814中，由可見光所產生的部分載子會被捕捉，因此該部分載子會貢獻於產生的光電流。步驟816中，另一部分由IR光產生的載子會被吸收，因此此部分載子不會對該光電流有貢獻，因此該光電流主要代表可見光。前文中參考圖3所描述的光感測器302可用以實施步驟812-816，更一般地，會實施步驟802。一控制器(如708)可用以實施步驟804。
圖9的高階流程圖摘錄本發明用以於一系統中控制背光的替代方法，該系統包含一顯示器與一做為該顯示器背光的光源。步驟902中，會產生同時代表可見光與IR光的第一光電流。步驟904中，會產生代表IR光的第二光電流。步驟906中，會藉由決定第一與第二光電流間的差異(如加權差異)而定出差異電流，其中該差異光電流具有移除大部分IR光的光譜響應。步驟908中，該光源的亮度係基於該差異光電流的大小而控制，其係利用上述任何一種方法。該等光感測器402、502、502’、602、602’或602”皆可用以實施步驟902-906。一控制器(如708)可用以實施步驟908。
本發明各種實施例已描述於前文中，而應了解其僅為範例描述，而不限於此。熟習相關技藝人士可瞭解此處的形式與細節上可有各種變化而不脫離本發明精神與範疇。
本發明的廣度與範疇不應為任何上述示範實施例所侷限，而應僅根據下面的申請專利範圍及其等效範圍而定義。
302‧‧‧感測器
304‧‧‧N+
區
306‧‧‧P-
層
307‧‧‧基板層
310‧‧‧氧化層
312‧‧‧光
Claims (20)
- 一種搭配一光感測器來使用的方法，其包含：(a)產生代表入射於該光感測器上的可見光和紅外(IR)光兩者之一第一光電流；(b)產生主要代表入射於該光感測器上的該IR光的一第二光電流；其中，步驟(b)包含使用該光感測器內的一N井或一P井來將會貢獻給該第二光電流的該可見光的一部分予以吸收，其中被該N井或該P井所吸收的該可見光的該部分係避免貢獻給該第二光電流，藉此造成該第二光電流主要代表入射於該光感測器上的該IR光。
- 如申請專利範圍第1項的方法，其進一步包含：(c)藉由決定該第一光電流和該第二光電流間的一差異來產生一第三光電流，其中該第三光電流具有移除該IR光的至少大部分之一光譜響應。
- 如申請專利範圍第2項的方法，其中在步驟(c)中所決定的該第一光電流和該第二光電流間的該差異係包含一加權差異。
- 如申請專利範圍第2項的方法，其進一步包含：(d)基於該第三光電流來監控周圍光。
- 如申請專利範圍第2項的方法，其進一步包含：隨著時間重複步驟(a)、(b)、(c)；以及(d)基於該第三光電流的變化來監控周圍光的變化。
- 如申請專利範圍第2項的方法，其中該光感測器內的該N井或該P井具有一深度，該深度係足夠深以吸收可見光的光子，同時允許IR光的光子通過該N井或該P井。
- 如申請專利範圍第6項的方法，其中該光感測器內的該N井或該P井所具有的該深度的範圍係大約1至3微米。
- 一種搭配一光感測器來使用的方法，其包含：(a)將該光感測器暴露至包括可見光和紅外(IR)光兩者之入射光；(b)產生代表該可見光和該IR光兩者之一第一光電流；(c)產生主要代表該IR光的一第二光電流；其中，步驟(c)包含使用一N井或一P井來將會貢獻給該第二光電流的該可見光的一部分予以吸收，其中被該N井或該P井所吸收的該可見光的該部分係避免貢獻給該第二光電流，藉此造成該第二光電流主要係代表入射於該光感測器上的該IR光。
- 如申請專利範圍第8項的方法，其進一步包含：(d)決定該第一光電流和該第二光電流間的一差異，藉此來產生一第三光電流，該第三光電流具有移除該IR光的至少大部分之一光譜響應。
- 如申請專利範圍第9項的方法，其中在步驟(d)中所決定的該第一光電流和該第二光電流間的該差異係包含一加權差異。
- 如申請專利範圍第9項的方法，其進一步包含：(e)基於該第三光電流來監控周圍光。
- 如申請專利範圍第9項的方法，其進一步包含：隨著時間重複步驟(a)、(b)、(c)；以及(d)基於該第三光電流的變化來監控周圍光的變化。
- 如申請專利範圍第9項的方法，其中該光感測器內的該N井或該P井具有一深度，該深度係足夠深以吸收可見光的光子，同時允許IR光的光 子通過該N井或該P井。
- 如申請專利範圍第9項的方法，其中該光感測器內的該N井或該P井所具有的該深度的範圍係大約1至3微米。
- 一種光感測器，其包含：一第一光偵測器，其係配置以產生代表入射於該光感測器上的可見光和紅外(IR)光兩者之一第一光電流；一第二光偵測器，其係配置以產生主要代表入射於該光感測器上的該IR光的一第二光電流；其中，該第二光偵測器包含一N井或一P井來將會貢獻給該第二光電流的該可見光的一部分予以吸收，其中被該N井或該P井所吸收的該可見光的該部分係避免貢獻給該第二光電流，藉此造成該第二光電流主要代表入射於該光感測器上的該IR光。
- 如申請專利範圍第15項的光感測器，其中藉由決定該第一光電流和該第二光電流間的一差異而產生之一第三光電流具有移除該IR光的至少大部分之一光譜響應。
- 如申請專利範圍第16項的光感測器，其中用於產生該第三光電流之該差異係一加權差異。
- 如申請專利範圍第17項的光感測器，其中該第三光電流係用於監控周圍光。
- 如申請專利範圍第16項的光感測器，其中包含於該第二光偵測器中的該N井或該P井具有一深度，該深度係足夠深以吸收可見光的光子，同時允許IR光的光子通過該N井或該P井。
- 如申請專利範圍第19項的光感測器，其中包含於該第二光偵測器中的該N井或該P井所具有的該深度的範圍係大約1至3微米。
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