TWI696296B - 光感測器 - Google Patents

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Abstract

一種光感測器包括基板、感測元件以及遮光層。感測元件配置於基板上並包括第一電極、感光層以及第二電極。第一電極配置於基板上。感光層配置於第一電極上。第二電極配置於感光層上，且感光層夾於第一電極與第二電極之間。遮光層配置於第二電極上，其中感光層具有被遮光層遮擋的遮擋部以及未被遮光層遮擋的受光部，且遮擋部的面積為感光層的整體面積的55%至99%。

Description

光感測器
本發明是有關於一種感測器，且特別是有關於一種光感測器。
隨著電子產業與光電科技的發展，光感測器的應用以及類型日益增加。舉例來說，電子裝置中的指紋辨識功能即可採用光感測器來實現。光感測器多半是利用具備光電轉換特性的材料來實現光的感測，而這樣的材料在強烈的環境光中容易劣化或是感測不靈敏。例如，高強度光線有可能使這類材料的光電轉換效率達到飽和，而無法正確反應出光線的強弱對比。或是，高強度的光線有可能使這類材料的特性發生無法回復的損壞。因此，光感測器的靈敏度及使用壽命仍需改善。
本發明提供一種光感測器，可適用於各種環境下而維持理想的感測靈敏性及使用壽命。
本發明實施例的光感測器包括基板、感測元件以及遮光層。感測元件配置於基板上並包括第一電極、感光層以及第二電極。第一電極配置於基板上。感光層配置於第一電極上。第二電極配置於感光層上，且感光層夾於第一電極與第二電極之間。遮光層配置於第二電極上，其中感光層具有被遮光層遮擋的遮擋部以及未被遮光層遮擋的受光部，且遮擋部的面積為感光層的整體面積的55%至99%。
基於上述，本發明實施例的光感測器包括了遮光層以遮擋感測元件的感光層的部分面積。如此一來，在強烈環境光下使用光感測器時，感光層較不容易劣化或是靈敏性降低。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為本發明一實施例的光感測器的上視示意圖，而圖2為圖1的光感測器沿剖線I-I’的剖面示意圖。由圖1可知，光感測器100包括基板110、感測元件120、遮光層130以及主動元件140。在本實施例中，感測元件120、遮光層130以及主動元件140都配置於基板110上，遮光層130遮擋住感測元件120與主動元件140且感測元件120感測到的訊號可以藉由主動元件140與對應的電路讀取出來。不過，本發明不以此為限。在部份的實施例中，主動元件140可以省略，而感測元件120所感測到的訊號可以藉由設置於基板110上其他的電路(未繪示)或是設置於外部的電路讀取出來。另外，在部分的實施例中，感測元件120可對應搭配一或多個主動元件140，以實現需要的感測訊號傳遞。圖1的上視圖中可看到的各個構件的面積可理解為這些構件垂直投影於基板110上的投影面積，也可視為以下說明內容所述的各構件的面積。
請同時參照圖1與圖2，在本實施例中，感測元件120可包括第一電極122、感光層124以及第二電極126。第一電極122、感光層124以及第二電極126可以依序堆疊於基板110上，且第一電極122的面積與第二電極126的面積都可重疊感光層124的面積。也就是說，在本實施例中，第一電極122配置於基板110上，感光層124配置於第一電極122上，第二電極126配置於感光層124上，且感光層124夾於第一電極122與第二電極126之間。在本實施例中，第二電極126的面積大於感光層124的面積，而第一電極122與感光層124的輪廓可局部重疊，但不以此為限。
第一電極122與第二電極126可以由透光或是不透光的導電材料製作，例如固態的金屬材料或是金屬氧化物材料，其中金屬氧化物材料包括氧化銦錫、氧化銦、氧化鋅等。具體而言，第一電極122與第二電極126至少一者須由透光的導電材料製作，以允許光線穿透而入射到感光層124。感光層124可具有將光能轉換為電能的特性，而實現光學感測作用。感光層124的材質包括富矽材料，例如富矽氧化物、富矽氮化物、富矽氮氧化物、富矽碳化物、富矽碳氧化物、氫化富矽氧化物、氫化富矽氮化物、氫化富矽碳化物或其他合適的材料或上述材料的組合。在本實施例中，第二電極126具有透光性質，因此來自外界的光線可穿過第二電極126而入射感光層124。
在圖1與圖2中，尖角狀的“v”圖案所填充的部分表示為遮光層130。由於遮光層130遮擋部分的感光層124，感光層124可劃分為被遮光層130遮擋的遮擋部124A以及未被遮光層130遮擋的受光部124B。換言之，遮光層130垂直投影至基板110的投影面積重疊於感光層124的遮擋部124A垂直投影至基板110的投影面積，而遮光層130垂直投影至基板110的投影面積不重疊於感光層124的受光部124B垂直投影至基板110的投影面積。此外，由圖2可知，遮光層130除了一部分遮擋感光層124外，遮光層130的外輪廓可以超出感光層124，但本發明不以此為限。在部分替代實施例中，遮光層130的外輪廓可對齊感光層124的輪廓。一般來說，感光層124容易因為強烈的環境光照射而劣化，且強烈的環境光可能導致感光層124的光電傳換率達到甚至超過飽和限度。不過，本實施例的遮光層130遮擋感光層124的部分面積的設計有助於改善上述情形。
光感測器100應用於指紋辨識器時，光感測器100可以包括多個感測元件120，其中這些感測元件120中的感光層124的劣化會反映於光感測器100所測得訊號的動態範圍(dynamic range)的衰減(decay)。在此，光感測器100的訊號的動態範圍的量測可包括以下步驟，但不以此為限。將整個指紋辨識器中的感測元件分區後，依據各區中的個別感測元件的訊號強度分析出各區的區域動態範圍(例如由同一區的感測元件的訊號分布中找出選定條件下的最大訊號值與選定條件下的最小訊號值的差值即為此區的區域動態範圍)。將多個區所得到的區域動態範圍求平均，即可獲得光感測器100的訊號的動態範圍。
在本實施例中，光感測器100所測得訊號的動態範圍的衰減是指使用可見光光源以100K勒克斯(lux)的照度照射240小時前後，所量得的訊號動態範圍的變異程度。舉例而言，使用可見光光源以100K勒克斯(lux)的照度照射240小時前量得的訊號的動態範圍為DR1，而使用可見光光源以100K勒克斯(lux)的照度照射240小時後量得的訊號的動態範圍為DR2，則訊號的動態範圍的衰減例如為(DR1-DR2)/DR1。為了符合實際應用的規範，作為指紋感測器時，光感測器100的動態範圍的衰減要求控制在40%以內。一旦動態範圍的衰減大於40%，光感測器100將不符使用上的規範，甚至無法正常執行原定的功能。
根據實驗量測結果，在沒有遮光層遮蔽感光層的實驗例中，光感測器的動態範圍的衰減超過上述40%，例如達到約44.2%。不過，在相同結構但有遮光層遮蔽感光層的實驗例中，光感測器的動態範圍的衰減可被降低。遮光層遮擋感光層的面積達到感光層的面積的55%或更大時，光感測器的動態範圍的衰減可確實被控制在40%以內。因此，在本實施例中，遮光層130的布局面積設計為使得被遮光層130遮擋的遮擋部124A的面積為感光層124的整體面積的55%至99%。如此一來，光感測器100即使在強烈的環境光下使用，也可以正常運作且可延長使用壽命。
被遮光層130遮擋的遮擋部124A的面積越大，光感測器100接收到的光線越少，這可能導致光感測器100的訊號減弱。不過，藉由增加光源亮度可使光感測器100維持需要的感測靈敏性。舉例而言，光感測器100應用於指紋辨識器時，多會搭配背光源而設置。當使用者的手指按壓於光感測器100，背光源提供的光線可朝向手指照射並被手指反射而被光感測器100接收感測。背光源亮度增加可提升光感測器100接收到的由手指反射的光線。因此，光感測器100中的遮擋部124A的面積增大後，藉由背光源的亮度調整仍可使得光感測器100維持所需的感測靈敏性，而維持光感測器100的正常運作。在部分的實施例中，光感測器100可依據其所搭配的背光源而設計遮光層130遮擋感光層124的面積比例。舉例而言，背光源的功率較高或發光亮度可達較強亮度的情形下，遮光層130遮擋感光層124的面積比例可以較高，但不以此為限。
舉例而言，在一實驗例中，被遮光層130遮擋的遮擋部124A的面積為感光層124的整體面積的75%時，光感測器100的動態範圍可落在約77.3灰階(GL)且光感測器100的動態範圍的衰減約為26.5%。同時，在30K勒克斯光的照度照射下，光感測器100的飽和比約為0.5。由這些結果可知，光感測器100在感光層124的整體面積的75%被遮蔽時，可具有理想的感測靈敏性，且動態範圍的衰減可符合使用規範，而有助於實際產品的應用。
進一步來說，本實施例的遮光層130可包括第一遮光部132以及第二遮光部134，其中第一遮光部132遮蔽感光層124的至少部分的面積，而第二遮光部134遮蔽主動元件140的面積。第一遮光部132，如上所述，可保持感光層124的特性而第二遮光部134則可避免主動元件140受光照射而損壞。因此，第一遮光部132與第二遮光部134的設置可幫助確保光感測器100的品質甚至有助於延長光感測器100的使用壽命。
此外，第一遮光部132與第二遮光部134可以採用相同的膜層製作而成，無須額外增加製作流程。在部分實施例中，遮光層130的材質包括金屬、金屬氮化物、光阻材料、油墨或其組合。在部分的實施例中，遮光層130的材質包括MoN或Mo。在部分實施例中，遮光層130例如為Mo/Al/Mo的堆疊層或Mo/Al/MoN的堆疊層。當遮光層130由金屬製作時，由於遮光層130接觸第二電極126，而有助於降低第二電極126的傳輸阻抗。在一些實施例中，用於圖案化遮光層130的蝕刻劑可能造成感光層124也受到蝕刻或是與感光層124反應。不過，本實施例的遮光層130製作於第二電極126上，因此製作遮光層130的過程中，感光層124都被第二電極126覆蓋著，不容易在遮光層130的製作過程中受到損壞，而可確保感光層124的特性。
在本實施例中，主動元件140例如是薄膜電晶體，且可以包括閘極G、半導體層C、源極S與汲極D。閘極G與半導體層C重疊。源極S與汲極D彼此分隔開來且都接觸半導體層C。感測元件120的第一電極122可電性連接汲極D。當感測元件120接收到外界的光線而產生電訊號時，可以透過主動元件140將所產生的電訊號傳遞出去而感測控制電路(未繪示)讀取。另外，主動元件140也可用於提供需要的操作或驅動訊號給感測元件120。不過這些訊號的傳遞可以透過其他的電路或是外部的電路來實現。因此，在部分實施例中，感測器100可選擇地不包含主動元件140。在本實施例中，第一電極122與汲極D可以為一體的，且由同一膜層製作而成，因此兩者在圖2中僅以虛線劃分，但不以此為限。在其他實施例中，第一電極122與汲極D可分別使用不同膜層製作而成。此外，第二遮光部134例如至少遮蔽住半導體層C的面積。
在圖2中，感測器100除了基板110、感測元件120、遮光層130與主動元件140外還包括有用以將導電構件彼此隔離的絕緣層150與絕緣層160。絕緣層150配置於第一電極122上，且第二電極126配置於絕緣層150上。也就是說，絕緣層150位於第一電極122與第二電極126之間。在本實施例中，第二電極126可延伸至覆蓋主動元件140，而絕緣層150位於第二電極126與主動元件140之間。絕緣層160則配置於閘極G上，且位於閘極G與半導體層C之間以作為閘絕緣層。另外，光感測器100還可包括共用電極170，共用電極170配置於第一電極122與基板110之間且絕緣層160夾於共用電極170與第一電極122之間。
由圖2可知，絕緣層150具有側壁152，且側壁152環設出開口154。開口154露出第一電極122，感光層124在開口154中接觸第一電極122，且感光層124夾在第一電極122與第二電極126之間。在本實施例中，絕緣層150與感光層124兩者都夾於第一電極122與第二電極126之間，使得第一電極122與第二電極126彼此不直接接觸。感光層124局部覆蓋絕緣層150的頂面、覆蓋絕緣層150的側壁152且覆蓋第一電極122被開口154露出的部分。因此，感光層124有一部分接觸第一電極122，其他部分不接觸第一電極122而是接觸絕緣層150。
在本實施例中，感光層124的接觸絕緣層150的部分由於位在周邊且相對於接觸第一電極122的部分被墊的更高，感光層124的接觸絕緣層150的部分相較於接觸第一電極122的部分更容易接收到斜向角度入射的光線，尤其是大角度斜向入射的光線。光感測器100作為指紋辨識器時，這種斜向入射的光線有可能是來自外界的光線而非來自使用者的手指所反射的光線，因而容易構成感測訊號的偏差。遮光層130至少遮蔽感光層124的接觸絕緣層150的部分有助於降低上述的感測訊號的偏差。因此，在本實施例中，感光層124的遮擋部124A可以沿著側壁152配置，其中感光層124的遮擋部124A有一部分覆蓋絕緣層150的側壁152、一部分覆蓋第一電極122，且甚至有一部分覆蓋絕緣層150的頂面。不過，本發明不以此為限。
請繼續參照圖1與圖2，遮光層130的第一遮光部132可為環形，使得感光層124的遮擋部124A包圍受光部124B。感光層124的遮擋部124A與感光層124的受光部124B的交界B124至感光層124的邊緣E124的距離D124可以大致為固定距離。在此，距離D124可以為交界B124上任一點到邊緣E124的最短距離。也就是說，感光層124的周邊被遮光層130遮蔽的部分由邊緣向內延伸的寬度是固定的。如此一來，感光層124的遮擋部124A與感光層124的受光部124B的交界B124所定義的輪廓可與感光層124本身的輪廓為相同幾何形狀，但不同尺寸大小。不過，在其他的實施例中，遮光層130遮蔽住的遮擋部124A的面積形狀可為不規則的，不限定要與感光層124的輪廓相應。
圖3為本發明一實施例的光感測器的上視示意圖，而圖4為圖3的光感測器沿剖線II-II’的剖面示意圖。請同時參照圖3與圖4，光感測器200包括基板110、感測元件120、遮光層230、主動元件140、絕緣層150、絕緣層160以及共用電極170。具體而言，感測元件120、遮光層230以及主動元件140都配置於基板110上。感測元件120包括第一電極122、感光層124以及第二電極126。第一電極122配置於基板110上，感光層124配置於第一電極122上，而第二電極126配置於感光層124上。感光層124夾於第一電極122與第二電極126之間。此外，遮光層230配置於第二電極126上，其中感光層124具有被遮光層230遮擋的遮擋部124A以及未被遮光層230遮擋的受光部124B，且遮擋部124A的面積為感光層124的整體面積的55%至99%。絕緣層150的側壁152環設出開口154，其中開口154露出第一電極122，且感光層124在開口154中夾在第一電極122與第二電極126之間。共用電極170配置於第一電極122與基板110之間且絕緣層160夾於共用電極170與第一電極122之間。
光感測器200大致相似於圖1與圖2的光感測器100，而兩實施例的主要差異在於遮光層230的布局配置。具體而言，在本實施例中，遮光層230的設置使得感光層124的受光部124B包圍遮擋部124A。遮光層230實質上為實心的幾何形狀且遮蓋住感光層124的中央部分。另外，感光層124的遮擋部124A與感光層124的受光部124B的交界B124所定義的輪廓與感光層124本身的輪廓可以為相同幾何形狀。在部分實施例中，感光層124的遮擋部124A與感光層124的受光部124B的交界B124至感光層124的邊緣E124的距離D124可大致為固定距離。在其他實施例中，遮光層230的遮蓋面積可以向外擴張而進一步遮蓋感光層124的覆蓋於絕緣層150的側壁152的部分，但不以此為限。
圖5為本發明一實施例的光感測器的上視示意圖，而圖6為圖5的光感測器沿剖線III-III’的剖面示意圖。請同時參照圖5與圖6，光感測器300包括基板110、感測元件120、遮光層330、主動元件140、絕緣層150、絕緣層160以及共用電極170。具體而言，感測元件120、遮光層330以及主動元件140都配置於基板110上。感測元件120包括第一電極122、感光層124以及第二電極126。第一電極122配置於基板110上，感光層124配置於第一電極122上，而第二電極126配置於感光層124上。感光層124夾於第一電極122與第二電極126之間。此外，遮光層330配置於第二電極126上，其中感光層124具有被遮光層330遮擋的遮擋部124A以及未被遮光層330遮擋的受光部124B，且遮擋部124A的面積為感光層124的整體面積的55%至99%。絕緣層150的側壁152環設出開口154，其中開口154露出第一電極122，且感光層124在開口154中夾在第一電極122與第二電極126之間。共用電極170配置於第一電極122與基板110之間且絕緣層160夾於共用電極170與第一電極122之間。
光感測器300大致相似於圖1與圖2的光感測器100，而兩實施例的主要差異在於遮光層330的布局配置。具體而言，遮光層330所遮擋的面積構成實心圖案，且遮光層330的設置使得感光層124的受光部124B與遮擋部124A的交界B124延伸至感光層124的邊緣E124。此外，感光層124的遮擋部124A的至少一部分覆蓋絕緣層150的側壁152的一部分，而感光層124的受光部124B的至少一部分覆蓋絕緣層150的側壁152的剩餘部分。在本實施例中，遮光層330的設置使得感光層124被遮蔽的遮擋部124A的輪廓不同於感光層124本身的輪廓。在其他的實施例中，遮光層130、230或330可以被切割成多個圖案，或是遮光層可以其他形式分布於基板上以遮擋感光層124整體面積的55%以上。因此，上述實施例搭配圖式所示的遮光層130分布及遮擋部124A的分布都僅是舉例說明之用，各構件的形狀輪廓無須以圖式的內容為限。
綜上所述，本發明實施例的光感測器包括遮蔽感光層的部分面積的遮光層，且遮光層與感光層之間存在有電極層。如此一來，即使在強烈的環境光照射下，光感測器的感光層可保有需要的感測靈敏性且不易受到損壞。此外，製作遮光層的過程中，感光層不會接觸蝕刻劑，而可確保感光層不受破壞。因此，根據本發明實施例的光感測器具有理想的感測靈敏性與使用壽命，並且適用於不同光強度的環境中。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300:光感測器
110:基板
120:感測元件
122:第一電極
124:感光層
124A:遮擋部
124B:受光部
126:第二電極
130、230、330:遮光層
132:第一遮光部
134:第二遮光部
140:主動元件
150、160:絕緣層
152:側壁
154:開口
170:共用電極
B124:交界
C:半導體層
D:汲極
D124:距離
E124:邊緣
G:閘極
I-I’、II-II’、III-III’:剖線
S:源極
圖1為本發明一實施例的光感測器的上視示意圖。 圖2為圖1的光感測器沿剖線I-I’的剖面示意圖。 圖3為本發明一實施例的光感測器的上視示意圖。 圖4為圖3的光感測器沿剖線II-II’的剖面示意圖。 圖5為本發明一實施例的光感測器的上視示意圖。 圖6為圖5的光感測器沿剖線III-III’的剖面示意圖。
100:光感測器
110:基板
120:感測元件
122:第一電極
124:感光層
124A:遮擋部
124B:受光部
126:第二電極
130:遮光層
132:第一遮光部
134:第二遮光部
140:主動元件
150、160:絕緣層
152:側壁
154:開口
170:共用電極
C:通道層
D:汲極
G:閘極
I-I’:剖線
S:源極

Claims (20)

  1. 一種光感測器，包括：基板；感測元件，配置於該基板上並包括：第一電極，配置於該基板上；感光層，配置於該第一電極上；第二電極，配置於該感光層上，且該感光層夾於該第一電極與該第二電極之間；以及遮光層，配置於該第二電極上，其中該感光層具有被該遮光層遮擋的遮擋部以及未被該遮光層遮擋的受光部，且該遮擋部的面積為該感光層的整體面積的55%至99%。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光感測器，更包括絕緣層，其中該絕緣層配置於該第一電極上，且該第二電極配置於該絕緣層上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的光感測器，其中該絕緣層的側壁環設出開口，該開口露出該第一電極，且該感光層在該開口中夾在該第一電極與該第二電極之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的光感測器，其中該感光層的該遮擋部的至少一部分覆蓋住該側壁。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的光感測器，其中該感光層的該遮擋部的至少一部分沿著該側壁配置。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的光感測器，其中該感光層的該遮擋部的至少一部分覆蓋該側壁的一部分，而該感光層的該受光部的至少一部分覆蓋該側壁的剩餘部分。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的光感測器，其中該遮光層為環形，使得該感光層的該遮擋部包圍該受光部。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的光感測器，其中該遮光層的設置使得該感光層的該受光部包圍該遮擋部。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的光感測器，其中該感光層的該遮擋部與該感光層的該受光部的交界至該感光層的邊緣的距離為固定距離。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的光感測器，其中該感光層的該遮擋部與該感光層的該受光部的交界所定義的輪廓與該感光層的輪廓為相同幾何形狀。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的光感測器，其中該遮光層的材質包括金屬、金屬氮化物、光阻材料、油墨或其組合。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的光感測器，其中該遮光層垂直投影至該基板的投影面積重疊於該感光層的該遮擋部垂直投影至該基板的投影面積。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的光感測器，其中該遮光層垂直投影至該基板的投影面積不重疊於該感光層的該受光部垂直投影至該基板的投影面積。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的光感測器，其中該感光層的材質包括富矽氧化物、富矽氮化物、富矽氮氧化物、富矽碳化物、富矽碳氧化物、氫化富矽氧化物、氫化富矽氮化物、氫化富矽碳化物或上述材料的組合。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的光感測器，其中該感光層的該受光部與該遮擋部的交界延伸至該感光層的邊緣。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的光感測器，更包括主動元件，配置於該基板上，其中該第一電極電性連接該主動元件。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的光感測器，其中該遮光層包括第一遮光部以及第二遮光部，該第一遮光部遮蔽該感光層的該遮擋部，而該第二遮光部遮蔽該主動元件。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的光感測器，其中該第二電極朝該主動元件延伸而更配置於該主動元件上方，且該第一遮光部與該第二遮光部都配置於該第二電極上。
  19. 如申請專利範圍第16項所述的光感測器，其中該主動元件為薄膜電晶體，且該第一電極電性連接該薄膜電晶體的汲極。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的光感測器，其中該第一電極與該薄膜電晶體的該汲極為一體的。
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