專利名稱：光傳感器裝置的制作方法
技術領域：
本專利申請文獻涉及光傳感器，更具體地，涉及用于檢測發光光強的光傳感器。
背景技術：
電子顯示器的圖像質量的人類感知受到該電子顯示器處環境中存在的可見背景
照明的量的強烈影響。例如，在環境光條件涉及高背景照明(例如，陽光或明亮的人工光)
時，電子顯示器一般在較高光強下操作時觀看效果更佳。當環境光條件涉及相對較低背景
照明(例如，在夜晚或室內的低光條件)時，電子顯示器在較低光強下操作時觀看效果較
佳。關于這一點，通常希望控制電子顯示器設備提供預期圖像質量。這些背景照明考慮可
應用于各種設備，如，便攜式計算機、蜂窩電話、視頻播放器、固定顯示設備以及其他。通常，人眼對波長在大約400nm到700nm之間的光敏感；對于許多光源來說，該波
長間隔(即，可見光譜)僅覆蓋發射光譜的一小部分。光通量是通過以發光度函數對每個
波長處的功率進行加權來說明眼睛靈敏度的光的度量，表示眼睛對不同波長的響應。輻射
通量是所發射的輻射的總功率的度量，總光通量與輻射通量之比被稱作發光效率。 諸如白熾燈之類的許多光源呈現相對低的色溫(黑體輻射計的溫度)并產生大量
的紅外輻射。關于這一點，環境光傳感器還受到除了可見光譜輻射以外的大量輻射。如果
在使用這樣的傳感器來檢測影響人類感知的光時沒有說明這種附加輻射，則光傳感器的響
應可能是可見光的非精確度量。例如，半導體光探測器(包括由硅制成的半導體光探測器)
的特色是在紅外區域內超出可見光譜的實質靈敏度，從而不僅響應于可見光還響應于紅外
光。光電二極管與眼睛響應之間的失配呈現出精確提取輻射的發光內容的挑戰。 在精確感測可見光中解決上述困難已經是具有挑戰。制造成本、尺寸限制、封裝困
難、工藝集成以及與各種方法相關的其他問題是很難有效且高效地檢測可見光以控制電子
顯示器的源頭。
發明內容
本發明針對解決上述挑戰以及與上述應用和其他應用類型相關的其他挑戰。在許多所示意的實現方式和應用中說明了本發明的這些和其他方面，在附圖中示出并在以上權利要求部分中表征了其中的一些。 根據本發明的示例實施例，光傳感器裝置包括兩個或更多光傳感器；以及提取電路，耦合至所述傳感器以從所述傳感器接收信號。所述傳感器包括第一傳感器，響應于波長在第一波長范圍內的光來輸出信號；以及第二傳感器，響應于波長在不同波長范圍內的光來輸出信號。所述提取電路使用每個傳感器的相應量子效率將來自傳感器的信號進行非線性組合，以提供對光的光通量加以表征的數據。 根據本發明另一示例實施例，電子顯示器控制器裝置響應于可見光的存在來控制電子顯示器。該裝置包括在半導體襯底中的層疊的光電二極管傳感器、提取電路、以及電子顯示器控制器電路。該層疊光電二極管傳感器包括上部光電二極管，對環境光進行濾波并響應于環境光中的可見光來提供信號；以及下部光電二極管，被布置在所述上部光電二 極管下方以接收濾波后的光，并且響應于濾波后的光中的紅外光來提供信號。所述提取電 路耦合用于使用光電二極管的量子效率對來自光電二極管的信號進行接收和非線性數字 組合，以及產生指示環境光中占優勢的可見光的光通量輸出。電子顯示器控制器電路接收 并使用該光通量輸出來控制電子顯示器上圖像的顯示。 根據本發明的另一示例實施例，使用檢測到的環境光來控制電子顯示器。檢測波 長在第一波長范圍內的光，并且響應于該光輸出信號。還檢測波長在不同波長范圍內的光， 并且響應于該光來輸出另一信號。使用所述檢測的相應量子效率來對這些信號進行非線性 組合，以提供對光的光通量加以表征的數據。 以上概述并不旨在描述本發明的每個所示意的實施例或者每個實現方式。以下附 圖和詳細描述將更具體地說明這些實施例。
結合附圖，考慮以下詳細描述的本發明各個實施例，將更全面地理解本發明，附圖 中 圖1示出了根據本發明示例實施例的用于檢測可見光并控制電子顯示設備的系 統； 圖2示出了根據本發明另一示例實施例的用于感測光的光電二極管裝置； 圖3示出了如結合本發明另一示例實施例實現的層疊光電二極管裝置中光電二
極管的各個響應的曲線圖；以及 圖4示出了結合本發明另一示例實施例的經由非線性組合而得到的來自光電二 極管對的歸一化響應的曲線圖。
具體實施例方式
盡管本發明可以有各種修改和備選形式，在附圖中以示例的方式示出了本發明的 特定細節并且以下將對這些特定細節進行詳細描述。然而，應理解，本發明不限于所描述的 特定實施例。相反，本發明覆蓋所附權利要求所限定的本發明的范圍之內的所有修改、等同 以及備選方案。 本發明可應用于多種傳感器裝置和方法，具體地可以應用于選擇性地檢測可見光 的傳感器裝置。盡管本發明不必須限于這樣的應用，然而通過在這樣的環境下討論示例最 佳地得到本發明各方面的理解。 根據本發明的示例實施例，一種半導體傳感器裝置提供對環境光的可見(發光) 部分加以表征的輸出信號，以通過便于人類感知所顯示的圖像的質量的方式來控制電子顯 示器的強度、調色板或其他特性。傳感器結構提供對背景輻射的可見和不可見特性加以表 征的兩個或更多輸出。提取電路對所述輸出進行非線性組合，以提取延伸超過可見范圍的 背景輻照度的發光內容，并產生占主要指示背景輻射中的光通量的輸出。
在一些實施例中，傳感器包括具有上部傳感器和下部傳感器的層疊半導體光電 二極管傳感器裝置，所述上部傳感器響應于可見光譜中的光，所述下部傳感器響應于紅外 (IR)光譜中的光。層疊光電二極管與信號處理電路一起位于外延硅襯底中，所述信號處理
5電路用于接收和處理來自層疊光電二極管的輸出。 在一些實施例中，光電二極管采用具有多數載流子極性的阱，所述多數載流子極性對于光電二極管所位于的襯底的極性來說是公共的。在一個應用中，在具有相同極性的襯底上形成P型外延硅的摻雜層，以采用CMOS工藝在光電二極管區域使用例如兩個p型注入來形成P+p-光電二極管結構，這允許緊鄰光電二極管實現信號處理電路。在另一應用中，在具有相同極性的襯底上形成n型外延硅的摻雜層，以類似地形成n型光電二極管結構。 與許多示例實施例相結合使用的術語"光"一般指的是電磁輻射，其中一些通常包括可見光譜中的(即，人眼可見的)光和不可見光。在一些情況下，不可見光指的是輻射或電磁輻射和/或與術語"光"(同時與不在可見光譜中的輻射或光相對應)同義。不在可見光譜中的光或輻射的一個示例是紅外光。關于這一點，在各種情況下使用的術語"光"不僅應用于可見光譜中的光，還應用于諸如紅外光(或紅外輻射)之類的不可見光(或輻射)。
圖1示出了根據本發明另一示例實施例的用于檢測可見光并控制電子顯示器設備的系統100。該系統包括傳感器110和120，分別檢測不同波長范圍內的光，并且響應于檢測到的光來產生傳感器數據112和122。 提取處理器130對傳感器數據112和122進行非線性處理，以產生主要表示入射到傳感器上的可見光(即，主要表示實際光通量)的光通量輸出132。將光通量輸出132發送至顯示器控制器140，所述顯示器控制器140產生用于操作電子顯示器的控制輸出142。在一些實施例中，控制輸出142用于操作相對大的顯示器，如，以計算機、電視來實現的顯示器或者戶外顯示器(如在體育競賽或廣告中使用的戶外顯示器)。在其他實施例中，控制輸出142用于操作相對小的顯示器，如以諸如移動電話、個人數字助理(PDA)、數字媒體播放器或成像設備之類的手持設備來實現的顯示器。 在上述情況下，結合一些實施例，在提取處理器130處對來自傳感器110和120的數據進行組合，以產生良好地表示光通量的輸出，來自傳感器110和120的數據分別表示超出人眼響應范圍的光數據。在一些實施例中，提出處理器130產生相對于傳感器處的實際光通量具有偏差的輸出，所述偏差在大范圍的照明條件(例如，白熾、熒光以及陽光)上小于百分之幾。在一些特定實施例中，光通量輸出132所表示的檢測到的可見光的至少大約95%與可見光相對應，在另一些實施例中，光通量輸出132所表示的感測到的可見光的至少大約98%與可見光相對應。關于這一點，光通量輸出132有助于非常精確地表示傳感器110和120所處環境中可見光的量(即，實際光通量)而不需要表示(如，紅外光譜中的)不可見光。 對于特定應用，傳感器110和120分別檢測在特定波長范圍內的光，所述特定波長范圍適合不同應用并且有助于產生代表傳感器環境中可見光的量的光通量輸出132。在一些實施例中，傳感器110主要檢測可見光，傳感器120主要檢測不可見光(例如，紅外光或其他不可見輻射)。在這些情況下，術語"主要"對于一些應用而言一般指的是至少大約80% ，對于一些應用而言一般指的是至少大約90% ，與人眼檢測到的可見光的量有關。提取處理器130將傳感器數據與每個信號中的已知量的可見和不可見光一同使用，并且適當地還與傳感器的量子效率一同使用，來產生光通量輸出132。在這種情況下，每個傳感器的量子效率表征傳感器對光的靈敏度，對于特定應用而言表征傳感器對一個或更多波長范圍內
6的光的靈敏度。 如上所述，如在圖2中例證的，傳感器110和120可以用半導體光電二極管來實 現，并且還與提取處理器130 —起在公共半導體襯底中實現。以示出了傳感器裝置105的 虛線來表示這種組合，所述傳感器裝置105可以是具有公共(或相反)極性摻雜區域的半 導體芯片，所述半導體芯片形成光電二極管(如，傳感器110和120)和提取處理器130。在 特定實施例中，顯示器控制器140還可以用傳感器裝置105來實現，并對于特定應用提取處 理器130 —起在公共電路中實現，所述公共電路承載與以上分別關于提取處理器130和顯 示器控制器140而描述的提取和控制功能有關的功能。 如上所述，結合多個實施例實現各種光傳感器和傳感器方法，包括結合圖1討論 的那些光傳感器和傳感器方法。圖2示出了根據本發明另一示例實施例的用于感測環境光 的示例光電二極管裝置200的截面圖。傳感器200是基于CMOS的半導體電路，包括兩個二 極管，其中，將通過P+埋層(DPW)和橫向地通過p+插塞(DPC)將最接近表面的頂部或上部 光電二極管210與深層的底部或下部光電二極管220屏蔽。在一些實施例中，以門控二極 管來實現兩個陰極(對于光電二極管210和220中的每一個，分別在212、214處)，以減小 或最小化泄漏電流。 頂部光電二極管210通常響應于可見光并且用作濾波器，主要將紅外光傳送至底 部光電二極管220，所述底部光電二極管220相應地主要響應于紅外光。可以針對特定應用 來定制頂部光電二極管210的濾波效果，使用硅作為襯底，在所述襯底中形成光電二極管， 其中藍色光穿透硅到達小于大約0. 5 ii m的深度，紅色光穿透到硅若干微米。紅外光具有大 于大約10iim的較深穿透深度，從而利用底部光電二極管220來檢測紅外光。在一些應用 中，頂部光電二極管210被制造為主要響應于可見光譜中的光，底部光電二極管220被制造 為主要響應于IR光譜中的光。 關于這一點，多個實施例針對，將頂部光電二極管210裝置在上表面的2 ii m內，以 收集在頂部表面與2 ii m深度之間的光產生電荷，從而檢測可見光譜中的光。底部光電二極 管位于硅襯底中更深處，以收集頂部光電二極管的2ym深度以下的光產生電荷，便于檢測 IR光譜中的光。 將來自上部光電二極管210和下部光電二極管220的輸出分別通過頂部光電二極 管(PD)觸點212和底部光電二極管(PD)觸點214傳送至處理電路。例如，通過這種裝置來 實現的示例，再次參考圖l，將來自頂部和底部PD觸點212和222的輸出(例如，112，122) 傳送至處理電路(提取處理器130)，在所述提取處理器130中，對輸出進行非線性組合以產 生光通量數據。在一些情況下，這種非線性組合涉及以下形式以非線性組合的方式將從上 部光電二極管得到的數據減去使用下部光電二極管220得到的數據。 再次參考圖l，根據傳感器IIO和120的特性、附加傳感器的存在、以及期望或預期 使用的光通量輸出120，以不同方式來對提取處理器130處的傳感器輸出進行非線性組合。 如例如與圖2所示的光電二極管裝置有關的，在傳感器110和120是基于硅的傳感器的情 況下，硅的特性用于確定提取處理器130處的非線性組合方法。光子在以從ymin到ymax的深 度穿過硅板時被吸收的概率由等式1給出
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中a是硅中的光子吸收系數，是波長的強函數。在這些情況下，該深度可以被例證為在光電二極管裝置200的上表面205以下的深度。在硅中，800nm輻射的吸收大約在小于500nm輻射的量級上，使得與可見光的光子相比，紅外光子更深地穿透到硅中。光電二極管210和220的光敏區域(y^，ymJ(即，分別在示出了電流的箭頭214和224處)的變化影響總體波長響應。將等式1或針對除了上述硅以外的其他半導體材料的相關等式中的該信息與光電二極管210和220的光敏區域的深度一同使用，通過非線性組合來提取212和222處光電二極管信號的發光內容。以下結合等式2來更詳細地描述一種進行這種組合的方法，如可以利用圖1和圖2所示的裝置來實現這種方法以及將圖1和圖2所示的裝置一同使用來實現。 圖3示出了結合本發明的另一示例實施例的、作為發射源色溫函數的每單位(勒克斯)發光內容的層疊光電二極管的相應歸一化響應的曲線圖。在水平軸中示出了黑體(顏色)溫度(以開爾文為單位)(例如，將發射源假定為黑體)，在垂直軸上示出了針對光電二極管的每勒克斯的歸一化響應。該曲線圖所表示的響應可以使用例如與圖2所示的上述層疊光電二極管裝置相類似的層疊光電二極管裝置來得到并實現，并且通常在較低色溫下呈現出發光內容的過高估計。 曲線310示出了主要對可見光譜中的光作出響應的上部光電二極管的歸一化響應，曲線320示出了主要對紅外光譜中的光作出響應的下部光電二極管的響應。曲線330示出了單個光電二極管的相應響應。公共色溫在從1850K(例如，燭光)到2800K(例如，普通電燈泡) 一直達到對于直射陽光的6000K的范圍內。如所示的，曲線330所表示的單個二極管和兩個層疊二極管中任何一個層疊二極管本身(分別由曲線310和320表示)都不在整個色溫范圍上提供平坦的響應(A/勒克斯)，因為這些器件的量子效率(QE)與人眼響應不匹配。如所示的，色溫的降低使得發射轉向紅外線，紅外線是眼睛不可見的但仍然可由光電二極管檢測到，這導致在校正和處理(例如，如這里所描述的)之前對環境光中的發光等級的過高估計。 如曲線310所示，層疊的上部光電二極管運行良好，呈現出較小的紅外尾部，但仍
然在2500K處導致高達30%的對可見光內容的過高估計。關于這一點，盡管上部光電二極
管自身可以被定制為呈現有利的紅外拒絕(例如，主要對可見光作出響應)，然而通過使用
非線性方法對下層的底部二極管的信息進行組合來校正較低色溫下的其余失配。 關于這一點，對關于曲線310和320的響應進行非線性處理，以提取與檢測到的紅
外光相對應的光數據以及提供主要與人眼可感知的可見光相對應的輸出。以下描述的圖4
還表征了可用于與同圖3所示曲線圖有關的光電二極管響應一起使用的組合。 圖4示出了結合本發明另一示例實施例的、經由非線性組合而得到的來自光電二
極管對的歸一化響應的曲線圖。與圖3—樣，在水平軸中示出了黑體(顏色)溫度(以開
爾文為單位)，在垂直軸上示出了針對光電二極管每勒克斯的歸一化響應。該曲線所表示的響應還可以使用例如與圖2所示的上述層疊光電二極管裝置相類似的層疊光電二極管裝置來得到并實現，并且還可應用于圖3所示相應響應的歸一化。 曲線410示出了 (例如，如與圖2的上述討論有關的)頂部光電二極管的歸一化且未校正的響應。曲線420和430示出了分別基于頂部和底部光電二極管的輸出的線性和二次組合的響應。曲線430中表示的二次校正方法有助于在整個范圍的±1%內提取發光內容。關于這一點，可以將曲線410所表示的未校正響應中大約2500K的色溫下大約30%
的初始失配校正到百分之幾的范圍內，以便于精確檢測可見輻照度。例如可以使用與圖1
所描述的方法相類似的方法來實現這些組合方法，其中，提取處理器130產生如曲線330所
表示、來自上部光電二極管和下部光電二極管的信號的非線性組合的輸出。 根據光電二極管的應用、裝置、以及組成，結合不同實施例來實現對傳感器輸出進
行非線性組合的多種方法；這些方法中的一些涉及對來自兩個層疊光電二極管的輸出進行
組合。通常，這些方法涉及確定光通量作為來自兩個(或更多)光電傳感器的輸入的非線
性組合的函數。以下等式2表示使用對層疊的光電二極管輸出進行非線性組合(這里是二
次校正)的這種確定的特定示例<formula>formula see original document page 9</formula> 其中，Ib。t、It。p是底部和頂部光電二極管的光電流，a、b和c是內插系數，①是光 通量。例如，根據校準的光通量和/或使用所測量的發光輻照來確定內插系數，以及根據經 驗獲取該內插系數，這便于通過迭代來確定光通量①，所述光通量①遵循從亮視(白天) 到暗視(夜間)視覺的眼睛響應性變化。 等式3表示使用非線性組合對來自上部光電二極管和下部光電二極管的輸出進 行組合的另一方法 其中，f是兩個變量之比的非線性函數。對傳感器數據進行非線性組合的其他相 關方法涉及將光通量(①)定義為I一乘以根據Ib。t/It。p的表格函數。 進行非線性組合的這些方法可應用于與產生對應于曲線圖430的輸出相結合來 使用。例如，在特定實施例中，圖1中的提取處理器130使用等式2對來自傳感器110和 120的輸出進行組合，所述傳感器110和120分別是以上述上部光電二極管和下部光電二極 管來實現的。 附圖所示的上述各個實施例僅是以示意的方式提供的，不應被解釋為限制本發 明。基于以上討論和說明，本領域技術人員將容易認識到，在無需嚴格遵循這里所示意和 描述的示例實施例和應用的情況下，可以對本發明進行各種修改和改變。例如，可以采用這 里所描述的非線性組合方法來實現其他光電二極管裝置，如，涉及美國專利No. 6， 787， 757 中所示的并列裝置或美國專利No. 6， 623， 701中所示的層疊結構的那些光電二極管裝置， 其通過引用全部合并于此。其他修改涉及使用不同類型的光電二極管，這些光電二極管 相對于用于形成這些光電二極管的襯底具有公共和/或相反摻雜，例如，如在美國專利 No. 4， 238， 760中描述的，其通過應用全部合并于此。這樣的修改和改變并不脫離本發明的 真實范圍。
權利要求
一種光傳感器裝置，包括第一傳感器，響應于波長在第一波長范圍內的光來輸出信號；第二傳感器，響應于波長在不同波長范圍內的光來輸出信號；以及提取電路，耦合用于接收傳感器信號，以使用每個傳感器的量子效率來對信號進行非線性組合，以便提供對光的光通量加以表征的數據(130)。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述傳感器是位于摻雜半導體襯底中的光電二極管，每個光電二極管包括與所述摻雜半導體襯底相同極性的摻雜區域。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述傳感器和所述提取電路位于公共摻雜的半導體襯底中。
4. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述傳感器位于摻雜半導體襯底中，并且包括極性與所述摻雜半導體襯底的極性相反的摻雜半導體材料。
5. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述提取電路使用二次組合對信號進行非線性組合。
6. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述傳感器垂直地層疊在襯底中，其中所述第二傳感器在所述第一傳感器下方。
7. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述第一傳感器產生主要指示可見光的響應，所述第二傳感器產生主要指示不可見光的響應。
8. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述第一傳感器對傳送至第二傳感器的光進行濾波，到達第二傳感器的濾波后的光主要是紅外光。
9. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述傳感器中的至少一個包括摻雜有P+和P-摻雜劑的半導體襯底，所述P+和P-摻雜劑形成所述傳感器裝置。
10. —種用于響應于可見光的存在來控制電子顯示器的電子顯示器控制器裝置，所述裝置包括層疊光電二極管傳感器，其在半導體襯底中，并且包括上部光電二極管，對環境光進行濾波并響應于環境光中的可見光來提供信號，下部光電二極管，被布置在所述上部光電二極管下方，用于接收濾波后的光以及響應于所述濾波后的光中的紅外光來提供信號；提取電路，耦合用于接收來自所述光電二極管的信號并使用所述光電二極管的量子效率來對所述信號進行非線性數字組合，以及用于產生主要指示環境光中的可見光的光通量輸出；以及電子顯示器控制器電路，用于接收和使用所述光通量輸出來控制電子顯示器上的圖像顯示。
11. 根據權利要求10所述的裝置，其中，所述提取電路位于所述半導體襯底中。
12. 根據權利要求IO所述的裝置，還包括襯底的摻雜區域，所述襯底的摻雜區域使上部光電二極管與下部光電二極管彼此電屏蔽。
13. 根據權利要求10所述的裝置，還包括針對每個光電二極管的低泄漏陰極，所述的泄漏陰極經由便于光電二極管在大約零偏壓下操作的集電極門來接觸光電二極管。
14. 根據權利要求IO所述的裝置，其中，所述提取電路通過根據校準后的光通量確定內插系數，使用所述光電二極管的量子效率對來自所述光電二極管的信號進行非線性數字組合。
15. 根據權利要求IO所述的裝置，其中，所述提取電路通過根據所測量的發光輻照確定內插系數，使用所述光電二極管的量子效率對來自所述光電二極管的信號進行非線性數字組合，以產生光通量輸出，所述光通量輸出反映了從亮視條件到暗視條件的眼睛響應性變化。
16. —種控制電子顯示器的方法，所述方法包括檢測波長在第一波長范圍內的光并響應于所述波長在第一波長范圍內的光來輸出信號；檢測波長在不同波長范圍內的光并響應于所述波長在不同波長范圍內的光來輸出信號；以及使用所述信號的非線性組合以及用于檢測光的傳感器的相應量子效率，來提供對所述光的光通量加以表征的數據。
17. 根據權利要求16所述的方法，其中，檢測波長在第一波長范圍內的光并響應于所述波長在第一波長范圍內的光來輸出信號包括輸出主要指示可見光的信號，以及檢測波長在不同波長范圍內的光并響應于所述波長在不同波長范圍內的光來輸出信號包括輸出主要指示不可見光的信號。
18. 根據權利要求16所述的方法，其中，檢測波長在第一波長范圍內的光包括使用第一傳感器，檢測波長在不同波長范圍內的光包括使用第二傳感器，所述方法還包括使用第一傳感器對傳送至第二傳感器的光進行濾波。
19. 根據權利要求16所述的方法，還包括使用半導體襯底的摻雜部分來電屏蔽用于檢測光的傳感器。
20. 根據權利要求16所述的方法，還包括根據校準后的光通量來確定內插系數，其中，使用所述信號的非線性組合以及所述傳感器的相應量子效率來提供數據包括使用所確定的內插系數。
全文摘要
感測環境光以用于確定光通量。根據示例實施例，使用兩個光傳感器裝置來感測環境光，這兩個光傳感器裝置分別對不同相關波長的光作出不同響應。對傳感器的輸出進行非線性組合，以產生指示光通量的數據。使用該光通量數據來產生用于控制電子顯示器的控制輸出。
文檔編號G01J1/42GK101765916SQ200880100950
公開日2010年6月30日 申請日期2008年7月30日 優先權日2007年7月30日
發明者維塔利·蘇什科夫, 羅布·范達倫 申請人:Nxp股份有限公司
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