CN100454586C - 光感测元件及其制法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光感测元件及其制法，该制法包括下列步骤：在基板上制作出光转换元件；在该光转换元件上形成抗反射涂层；以及在该抗反射涂层上形成荧光物质，荧光物质能吸收特定波段的光、并反射出易于被光转换元件感测的波段的光。本发明的光感测元件可实时监测紫外线的状况，进而采取适当的防护措施，本发明采用成本低的光感测元件，取代现有技术中用蓝宝石基板、AlxGa1-xN系列材料简化了制程、降低了成本，同时本发明以现有用硅材料制成的光感测元件取代AlxGa1-xN系列材料，解决AlxGa1-xN系列材料所需施加电压过大不适合用于诸如手表、手机、PDA等便携式电子装置的问题，避免检测紫外光同时也检测到可见光或红外光波段的光的问题。

Description

光感测元件及其制法
技术领域
本发明是关于光感测元件及其制法，特别是关于用硅材料制作的光感测元件及其制法。
背景技术
近年来全球工业的蓬勃发展，导致全球环境受到严重的破坏。且由于目前大气层中的臭氧层不断被破坏，因此阳光中的紫外光无法有效被臭氧层吸收，使达到地表的紫外光强度急据增加，这对人类的健康影响甚巨。相关医学研究也已证实紫外光会导致皮肤癌、白内障及其它眼球疾病与免疫系统受损。实验显示紫外光可依波长不同分为紫外光A(UV-A：380至420纳米)、紫外光B(UV-B：320至380纳米)以及紫外光C(UV-C：100至320纳米)，其中波长250至260纳米的紫外光会破坏染色体，对生物威胁极大，医学界利用此特性进行消毒，如自来水消毒用的紫外光波长为253.7纳米，UV-A会深入皮肤底层，造成严重伤害，UV-B是造成皮肤变黑的主因，UV-C也会对皮肤造成较严重的伤害。因此在户外的民众“实时”地了解自己所处环境中紫外线的状况，进而采取适当的防护措施是相当重要的。
有鉴于此，在美国专利第4614961号中，Khan等人提出一种AlxGa1-xN固态紫外光传感器。利用有机金属气相沉积法(MOCVD)在蓝宝石(sapphire)基板上磊晶AlN及AlxGa1-xN以吸收紫外光，进而实现感测紫外光的目的。选用AlxGa1-xN系列材料作为该紫外光传感器的材料是由于AlxGa1-xN系列材料的带隙(bandgap)位于紫外光能量范围内，且同时可借由改变Al(aluminum)及Ga(gallium)的比例调整吸光的波段。与光电倍增管(photomultiplier-tubes，简称PMT’s)成本高、体积大、易损坏以及所需电压高的缺点相比，该紫外光传感器体积小、成本低、不易损坏、且具有较窄的切断波长(cutoff wavelength)。
然而，使用这种基板材料及有机金属气相沉积法制程将大幅提高制作成本。一方面，蓝宝石基板相当昂贵，即蓝宝石基板尺寸远小于硅基板而价格却远高于硅基板。另一方面，虽然有机金属气相沉积法的技术已趋于成熟，但有机金属气相沉积法制程仍相当昂贵，光传感器需要一定大小的吸光面积因此势必将占用一定量的基板面积，因此该方法的制作成本并不低。
此外，在美国专利第6410940号中，Jiang等人也利用GaN系列材料作为发光二极管或紫外光感测元件，该发光二极管或紫外光感测元件包括n型接触(contact)、p型接触以及连接该n型接触与该p型接触的光学主动元件，当施加正偏压至该光学主动元件时，该光学主动元件可以是发光二极管，当施加负偏压至该光学主动元件时，该光学主动元件可以是紫外光感测元件。但其也使用昂贵的蓝宝石基板，因此该方法的制作成本仍不低。
此外，除了制作成本考虑之外，若使用AlxGa1-xN系列材料作为可安装在所有便携式电子装置的紫外光感测元件仍有难度，一方面，由于AlxGa1-xN系列材料的带隙较大，因此照光后，位于价带(valance band)的电子若要跃迁至导带(conduction band)则需较高的能量，使较短的波长产生反应。另一方面，该系列材料应用在光感测元件时，所需施加的电压较大，因此不适合用于便携式元件上。
然而，若使用现有的用硅材料制成的光感测元件作为检测紫外光辐射的紫外光感测元件，虽然可以用硅材料取代蓝宝石基板及AlxGa1-xN系列材料以降低制作成本，但以硅材料制成的光感测元件在检测紫外光辐射同时，也会检测到可见光或远红外光的信号反应。因此，若直接使用硅作为紫外光感测元件的材料并不合适。
发明内容
为克服上述现有技术的问题，本发明提供一种可安装在所有便携式电子装置的光感测元件及其制法，使处于户外的民众可“实时”了解自己所处环境的紫外线状况，进而采取适当的防护措施。
本发明的另一目的在于提供一种制做成本低的光感测元件，可取代现有技术中用蓝宝石基板、AlxGa1-xN系列材料或制程技术复杂的高成本的紫外光感测元件。
本发明的又一目的在于以现有用硅材料制成的光感测元件取代AlxGa1-xN系列材料，解决AlxGa1-xN系列材料所需施加电压过大不适合用于诸如手表、手机、PDA等便携式电子装置的问题。
本发明的再一目的在于克服用硅材料制作光感测元件时，无法避免检测紫外光同时也检测到可见光或红外光波段的光的问题。
为达上述及其它目的，本发明提供一种光感测元件的制法，该制法包括下列步骤：在硅基板上制作出可将光信号转换成电信号的光转换元件；在该光转换元件上形成一层抗反射涂层(Anti-Reflectioncoating)；在该抗反射涂层上形成荧光物质，荧光物质能吸收特定波段的光、并反射出易于被光转换元件感测的波段的光。
本发明还提供一种光感测元件，该光感测元件包括：基板；光转换元件，设置在该基板上；抗反射涂层，形成于该光转换元件上；以及荧光物质，形成于该抗反射涂层上。
本发明的光感测元件利用该光感测元件上的荧光物质只能够吸收某特定波段的光而不吸收除了该特定波段的光外的其它波段的光，因而可将除了该特定波段外其它波段的光过滤在该紫外光感测元件之外，且可将该吸收的特定波段的光转换成易于光转换元件感测的波段的光，因此再经由形成于光转换元件上的抗反射涂层适度减少折射散失及聚焦该转换后的光至该光转换元件，即可完成本发明所实现的光感测的作用。
本发明的光感测元件可使处于户外的民众“实时”了解自己所处环境的紫外线状况，进而采取适当的防护措施，由于本发明的采用成本低的光感测元件，取代现有技术中用蓝宝石基板、AlxGa1-xN系列材料或制程技术复杂的高成本的紫外光感测元件，简化了制程、降低了成本，同时本发明以现有用硅材料制成的光感测元件取代AlxGa1-xN系列材料，解决AlxGa1-xN系列材料所需施加电压过大不适合用于诸如手表、手机、PDA等便携式电子装置的问题，避免检测紫外光同时也检测到可见光或红外光波段的光的问题。
附图说明
图1A是说明在硅基板上制作光转换元件；
图1B是说明在该光转换元件上形成抗反射涂层；以及
图1C是说明在本发明的光感测元件上形成荧光物质。
具体实施方式
实施例
图1A至图1C是说明本发明的光感测元件的制法。
如图1A所示，在硅基板100上制作出光转换元件，该光转换元件可以是金属-半导体-金属、P-I-N二极管、P-N结二极管、光导体(photo-conductor)、光敏晶体管(photo-transistor)、肖特基势垒探测器(Schottky barrier detector)等可将光信号转为电信号的元件。在本实施例中，如图所示，该光转换元件110是金属-半导体-金属，且为配合不同波段光的入射深度，该光转换元件110可视需要制成如图所示的具有多个凹部的金属-半导体-金属，以便检测入射深度较深的光。但本发明的光转换元件不限于上述这种形式的光转换元件，可视需要有所变更。
再而，如图1B所示，在该光转换元件110上形成一层抗反射涂层(Anti-Reflection coating)120；该抗反射涂层可以是利用现有沉积方式沉积适当折射率的材质，再将所沉积的材质表面蚀刻成凸面，使入射光线能聚焦在光转换元件上，因此可避免光线因折射的散失，使光转换元件上的光信号变小。该抗反射涂层的主要目的是避免入射光的折射散失且使该入射光能够聚焦在光转换元件上，本发明的紫外光感测元件的抗反射涂层并不局限于如图1B所示的抗反射涂层的形式，可视光转换元件或需要而有所不同。
如图1C所示，在该抗反射涂层120上涂布有荧光物质130，该荧光物质130能吸收特定波段的光、并可反射出易于被光转换元件感测到波段的光。本发明即利用荧光物质在受到光或电子的刺激后，电子能够由高能阶的激发状态(excited state)至原有的低能阶状态，同时多余能量能以光的形式辐射出来的特性，实现将外界入射到本发明光感测元件的光转换成适合光转换元件感测的光。该荧光物质是Ca3(PO4)3F1-xClx：Mn(II)和锑(III)、氧化钇掺杂铕、磷酸化镧铈掺杂铽以及氧化钡镁铝掺杂铕等适合物质。由于该荧光物质仅能吸收某特定波段的光，因此借由该荧光物质可将除了该特定波段外的波段的光过滤在光感测元件外，进而能感测到所要感测波段的光。该荧光物质所吸收的特定波段的光可以是紫外光，也可以是红外光。
此外，采用不同的荧光物质可制做具有不同折射率的抗反射涂层，也就是采用不同的荧光物质，吸收外界特定波段的光反射至光感测元件的光的波段会有所不同，因此可选用适当折射率的抗反射涂层材质。
本发明还提供一种光感测元件，该光感测元件包括：硅基板、位于硅基板上的光转换元件、形成于该光转换元件上的抗反射涂层以及形成于该抗反射涂层上的荧光物质。
本发明的光感测元件是使一光线入射至该光感测元件时，该光感测元件上的荧光物质可将入射光线中特定波段的光转换为适合光转换元件感测波段的光，且因该荧光物质只吸收特定波段的光、不吸收除了该特定波段的光之外的其它波段的光，因此通过该荧光物质可将入射光中除了该特定波段的光之外的其它波段的光隔绝于该紫外光感测元件外，不会被光转换元件检测到。经由光转换元件上的凸面抗反射涂层，可将经转换成的可见光或红外光波段的光聚焦在该光转换元件，且适度减少折射散失，最后再由光转换元件检测光的强度，此时光转换元件检测的光强度即是所要感测的入射光的光强度，也就是经由该荧光物质转换得到的适合光转换元件感测的光强度，此方式即可实现本发明的紫外光感测的效能。
此外，依据所需要的感测光波段不同，可适时改变本发明的光传感器的荧光物质及形成于光转换元件上的抗反射涂层的材质，也就是利用不同荧光物质可吸收入射光不同的特定波段的光，例如紫外光或红外光等，将其转换成易于被光转换元件感测波段的光，再利用适合的抗反射涂层的材质将该经转换后的光聚焦在光感测元件，本发明的光感测元件可以是紫外光感测元件，也可以是红外光感测元件。再者，该紫外光感测元件也可针对需要不同，设计成UV-A、UV-B及UV-C等感测元件。且由于该荧光物质的转换特性，光转换元件不再需要为了配合所要感测的光的波段而局限于现有技术中昂贵的材料和制程，也就是可使用由硅材料制成的光转换元件，同时解决现有技术中由硅材料所制成的光感测元件无法过滤除了紫外光波段以外的光。

Claims (22)

1.一种光感测元件的制法，其特征在于，该制法包括下列步骤：
在基板上制作出光转换元件；
在该光转换元件上形成抗反射涂层；以及
在该抗反射涂层上形成荧光物质，荧光物质能吸收特定波段的光、并反射出易于被光转换元件感测的波段的光。
2.如权利要求1所述的光感测元件的制法，其特征在于，该光转换元件是将光信号转为电信号的元件。
3.如权利要求2所述的光感测元件的制法，其特征在于，该光转换元件是金属-半导体-金属。
4.如权利要求3所述的光感测元件的制法，其特征在于，该光转换元件具有多个凹部以配合各不同波段的光的入射深度。
5.如权利要求4所述的光感测元件的制法，其特征在于，该凹部较深处是吸收和感测入射深度较深的光。
6.如权利要求2所述的光感测元件的制法，其特征在于，该光转换元件是P-I-N二极管。
7.如权利要求2所述的光感测元件的制法，其特征在于，该光转换元件是P-N结二极管。
8.如权利要求2所述的光感测元件的制法，其特征在于，该光转换元件是光导体。
9.如权利要求2所述的光感测元件的制法，其特征在于，该光转换元件是光敏晶体管。
10.如权利要求2所述的光感测元件的制法，其特征在于，该光转换元件是肖特基势垒探测器。
11.如权利要求1所述的光感测元件的制法，其特征在于，在该光转换元件上形成一层抗反射涂层是利用沉积方式沉积适当折射率的材质后，再将沉积的材质表面蚀刻成凸面。
12.如权利要求11所述的光感测元件的制法，其特征在于，该抗反射涂层能够使外界入射的光聚焦在该光转换元件上。
13.如权利要求1所述的光感测元件的制法，其特征在于，该荧光物质所吸收的特定波段的光是紫外光。
14.如权利要求1所述的光感测元件的制法，其特征在于，该荧光物质所吸收的特定波段的光是红外光。
15.一种光感测元件，其特征在于，该光感测元件包括：
基板；
光转换元件，设置在该基板上；
抗反射涂层，形成于该光转换元件上；以及
荧光物质，形成于该抗反射涂层上。
16.如权利要求15所述的光感测元件，其特征在于，该光转换元件是将光信号转为电信号的元件。
17.如权利要求15所述的光感测元件，其特征在于，该抗反射涂层的表面是凸面。
18.如权利要求17所述的光感测元件，其特征在于，该抗反射涂层的表面能够使外界入射的光聚焦在该光转换元件上。
19.如权利要求15所述的光感测元件，其特征在于，该荧光物质是能够吸收某特定波段的光、反射出其它波段的光。
20.如权利要求19所述的光感测元件，其特征在于，该特定波段的光是紫外光。
21.如权利要求19所述的光感测元件，其特征在于，该特定波段的光是红外光。
22.如权利要求19所述的光感测元件，其特征在于，该反射出的其它波段的光是适合于光转换元件吸收且感测波段的光。
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