CN101563789B - 具红外线抑制的光传感器及将传感器用于背光控制 - Google Patents
具红外线抑制的光传感器及将传感器用于背光控制 Download PDFInfo
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Abstract
本文中描述了一种光传感器，其主要响应可见光并抑制红外光。本文中亦描述具有这种光传感器的系统。此系统可包含显示器、作为该显示器的背光的光源、以及基于从这种光传感器接收的反馈来控制该光源亮度的控制器。本文亦描述用以控制背光的方法。
Description
优先权声明
本申请要求对以下申请的优先权：
2006年12月12日提交的题为“Light Sensors with Infrared Suppression”(具红外线抑制的光传感器)的美国临时专利申请No.60/869,700；
2007年1月9日提交的题为“Light Sensors with Infrared Suppression”的美国临时专利申请No.11/621,443；以及
2007年12月4日提交的题为“Backlight Control Using Light Sensors withInfrared Suppression”(使用具红外线抑制的光传感器进行背光控制)的美国临时专利申请No.11/950,325。
这种
背景技术
近年来周围光传感器的使用兴趣已增加，如显示器中用作为节能光传感器，在便携式设备如移动电话与笔记型计算机中控制背光，以及用于其它各种形式的光能级测量与管理。此外，由于各种原因，对于利用互补式金属氧化物半导体(CMOS)技术来实现此种周围光传感器有所兴趣。首先，CMOS电路通常较诸如砷化镓或双极硅技术的其它技术便宜。更进一步地，CMOS电路通常耗散的功率少于其它技术所耗散功率。此外，CMOS光电探测器可与其它低功率CMOS器件形成在同衬底上，这种这些器件诸如金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)。
图1显示常规CMOS光传感器102的截面，其基本上为单一CMOS光电二极管，亦称为CMOS光电探测器。该光传感器102包含：N+区104，其是高掺杂的；与P-区106(其可为P-外延区)，其是低掺杂的。上述所有都可能形成在P+或P++衬底107上，其是高掺杂的。需注意图1与其它图中的光传感器并非依大小比例描绘。
现在仍参考图1，该N+区104与P-区106形成PN结，且更具体地说，是N+/P-结。此NP结是例如利用电压源(未显示于图中)反偏压的，其造成围绕该PN结的耗尽区。当光112入射于该光电探测器102上(更具体地说入射于该N+区104上)，电子-空穴对产生在该二极管耗尽区中或其附近。电子马上被拉向N+区，而空穴被推向该P-区106。这些电子(亦称为载流子)被捕捉在N+区104中并产生可测量的光电流，其可被例如使用电流探测器(未显示于图中)检测。此光电流指出该光112的强度，因此使得该光电探测器可作为光传感器。
此常规光电探测器有个问题，就是其同时探测可见光与不可见光，如红外(IR)光。由图2中可了解此现象，其显示人眼的示例性光谱响应。应注意人眼无法探测始于约800nm的IR光。因此，该常规光电探测器的反应与人眼反应有相当大的差异，尤其是在该光112由产生大量IR光的白炽光源所产生时。对于此传感器102被用以调整背光或类似者的场合，此提供远低于最优化的调整。
故希望提供具有较接近人眼的光谱反应的光传感器。这种光传感器可用于例如适当调整显示器的背光或类似者。
发明内容
本发明实施例针对光传感器，其在作为周围光传感器特别有用，因为这种传感器可用以提供类似于人眼的光谱反应。因此，本发明实施例的这种光传感器有时可称为周围可见光传感器。
本发明实施例还针对结合有这种光传感器的装置与系统。在实施例中，系统包括：显示器、作为显示器背光的光源、以及控制光源的亮度的控制器。该系统也可包括光传感器以产生光电流，其主要代表可见光，该控制器可基于光电流的大小来控制光源的亮度。或者，系统可包括光传感器，其可产生第一光电流与第二光电流，第一光电流代表可见光与IR光两者，而第二光电流代表IR光。在此实施例中，控制器可基于差异光电流的水平来控制该光源的亮度，该差异光电流取决于第一与第二光电流间差异(其可为加权差异)的大小。
根据特定实施例，光传感器包括第一传导型层，并在第一传导型层中包括第二传导型区，并且与第一传导型层形成PN结光电二极管。此外，氧化层位于该PN结下。当光(包括可见光与红外(IR)光)射至光传感器上时，第一传导型层中产生载流子。由于可见光而产生的一部分载流子被第二传导型区捕捉，且其形成光传感器产生的光电流。这种载流子的其它部分，即由于IR光产生的部分，穿透氧化层，并且由氧化层吸收和/或由氧化层下的材料吸收，且因而不会造成光电流，因此光电流主要代表可见光。
根据特定实施例，第一传导型层可为P-层，而第二传导型区可为N+区。在其它实施例中，第一传导型层可为N-层，而第二传导型区可为P+区。
根据本发明其它实施例，光传感器包括第一传导型层，以及第二传导型的第一与第二区处于第一传导层中。第二传导型的第一区与第一传导型层形成第一PN结光电二极管。第二传导型的第二区与第一传导型层形成第二PN结光电二极管。CMOS技术的至少又一层覆盖第二传导型的第二区(但不覆盖第二传导型的第一区)，其中该至少又一层阻挡可见光而允许至少一部分的红外(IR)光穿透。当包括可见光与IR光的光线射至光传感器上时，第一传导型层中产生载流子。因可见光与IR光射至第二传导型的第一区上所产生的部分载流子，被第二传导型的第一区捕捉，并且形成第一光电流，其代表可见光与IR光两者。由通过该至少又一层的IR光所产生的其余部分载流子，被第二传导型的第二区捕捉并形成第二光电流，其代表IR光。通过确定第一与第二光电流的差异产生的差异光电流具有移除大部分的IR光的光谱反应。用以形成差异电流的差异可为加权差异，其补偿至少一部分未通过该至少又一层的IR光。
根据特定实施例，第一传导型层可为P-层，第二传导型的第一区可为第一N+区，而第二传导型的第二区可为第二N+区。在其它实施例中，第一传导型层可为N-层，第二传导型的第一区可为第P+区，而第二传导型的第二区可为第二P+区。
根据某些实施例，至少一个另一层包括硅化物层。在一些实施例中，该至少一个另一层包括多晶硅层，其覆盖第二传导型的第二区。硅化物层可位于多晶硅之上。可使用多于个的多晶硅层，最上层的多晶硅之上可具有或不具有硅化物层。
根据本发明其它实施例，光传感器包括第一传导型层，以及位于第一传导型层中的第二传导型的第一区，并与第一传导型层形成第一PN结光电二极管。第二传导型阱亦位于第一传导型层中，并与第一传导型层形成第二PN结光电二极管。此外，第二传导型的第二区位于第二传导型阱中，其中第二传导型的第二区掺杂浓度高于第二传导型阱的掺杂浓度。当包括可见光与红外(IR)光的光线射至光传感器上时，第一传导型层中产生载流子。因入射至第二传导型的第一区的可见光与IR光而产生的部分载流子，被第二传导型的第一区捕捉，并且形成第一光电流，其代表可见光与IR光两者。因通过第二传导型阱的IR光而产生的其它部分的载流子在第二传导型阱中的第二传导型的第二区捕捉，且其形成第二光电子，其代表IR光。通过确定第一与第二光电流间的差异产生的差异光电流具有移除大部分IR光的光谱反应。用以产生差异电流的差异可为加权差异，其补偿至少一部分不通过至少一个另一层的IR光。
第一传导型层可为P-层，第二传导型的第一区可为第一N+区，第二传导型阱可为N阱，且第二传导型的第二区可为第二N+区。或者，第一传导型的层可为N-层，第二传导型的第一区可为第一P+区，第二传导型阱可为P阱，而第二传导型的第二区可为第二P+区。
在一些实施例中，CMOS技术中的至少一个另一层覆盖第二传导型的第二区(但不覆盖第二传导型的第一区)，其中该至少一个另一层阻挡可见光而使至少一部分的红外(IR)线穿透。根据一些实施例，该至少一个另一层包括硅化物层。在一些实施例中，该至少一个另一层包括多晶硅层，其覆盖第二传导型的第二区。硅化物层可位于多晶硅之上。可使用多于一个的多晶硅层，多晶硅最上层之上可具有或不具有硅化物层。
本发明实施例亦涉及用以产生光电流的方法，该光电流主要代表可见光，因此具有类似于人眼的响应。本发明实施例亦涉及用以产生差异光电流的方法，这种差异光电流的光谱响应移除大部分的IR光，因此其具有相似于人眼的响应。本发明实施例亦涉及用以控制系统中背光的方法，该系统包括显示器与作为显示器背光的光源。
在特定实施例中，一种方法包括：产生光电流，其主要代表可见光；根据光电流的电平控制光源(作为显示器的背光)的亮度。该产生步骤可包括：响应于接收到入射光产生载流子，该入射光包括可见光与红外(IR)光；捕捉因可见光而产生的部分载流子，因此此部分载流子贡献于所产生的光电流；吸收因IR光而产生的其它部分的载流子，因此这种部分的载流子不形成光电流，因此光电流主要代表可见光。
在其它实施例中，一种方法包括：产生第一光电流，其代表可见光与IR光两者；产生第二光电流，其代表IR光。此方法亦包括通过确定第一与第二光电流间的差异(其可为加权差异)确定差异电流，其中该差异光电流具有其大部分的IR光已移除的光谱响应。该方法进一步包括基于差异光电流的电平控制光源(作为显示器的背光)的亮度。
此发明内容并非用以完整描述本发明实施例。本发明的进一步与替代的实施例以及特征、方面、与优点将在下文中的详述、附图、与权利要求中变得更加清楚。
附图简述
图1所示是常规CMOS光电探测器型的光传感器的截面图。
图2所示是人眼的示例性光谱响应示意图。
图3所示是根据本发明实施例的光传感器的截面图。
图4A所示是根据本发明另一实施例的光传感器的截面图。
图4B所示是高级框图，其解释由图4A光传感器的两个光电探测器产生的光电流间的差异是如何确定的。
图5A所示是根据本发明另一实施例的光传感器的截面图。
图5B所示是利用图5A的光传感器达成的模拟光谱响应示意图。
图5C所示是图5A中所示光传感器的变体的截面图。
图5D所示是利用图5C的光传感器达成的模拟光谱响应示意图。
图6A所示是根据本发明又一实施例的光传感器的截面图。
图6B所示是利用图6A的光传感器达成的模拟光谱响应示意图。
图6C所示是类似图6A的光传感器的截面图，但其也包括图4A传感器的特征。
图6D所示是类似图6A的光传感器的截面图，但其也包括图5A传感器的特征。
图7所示是系统的高级框图，其包括LCD显示器与本发明的其中一个光传感器，用以提供根据本发明实施例的可控制背光的系统。
图8A根据本发明实施例概括用以控制系统中的背光的特定方法，该系统包括显示器与作为显示器背光的光源。
图8B提供图8A的步骤之一的附加细节。
图9根据本发明实施例概括用以在系统中控制背光的其它替代方法，该系统包括显示器与作为显示器背光的光源。
具体描述
光以由光的波长确定的特性深度吸收。对于某些波长，例如范围在约400至700nm的可见光，吸收深度约在3.5微米或更小。相反，对IR光来说，吸收深度大于可见光的吸收深度。举例来说，对800nm的IR光来说，吸收深度约为8微米；而对900nm的IR光来说，吸收深度则大于20微米。本发明实施例利用此现象，其将描述于下文中。
图3是根据本发明实施例的CMOS光传感器302的截面图。该光传感器302包括N+区304，其位于比较浅的P-层306中，其下有氧化层310。氧化层310可为如二氧化硅，但不限于此。P-层306可为P-外延层，但不限于此。
根据特定实施例，N+区304的深度或厚度范围约为0.05至0.15微米，且P-层306的深度或厚度范围约为0.1至0.3微米，而P-层306的厚度较佳而言约为N+区304厚度的两倍。根据特定实施例，氧化层310的厚度为IR光的四分之一波长的奇数倍。假设为800nm的IR光，则因此其四分之一波长为200nm(即0.2微米)，氧化层的厚度可为0.2微米、0.6微米、1.0微米等等。
当光312(其包括可见光与IR光两者)射至传感器302的N+区时，可见光光子的大部分皆由N+区304与P-区306吸收。这种光子由传感器302形成光电流。相反，IR光的大部分皆穿透氧化层310，且被衬底层307(举例来说，其可为硅层)吸收，并因此不对传感器302所产生的光电流有所贡献。在此状况中，IR光对于光电流的贡献大量减少，且较可能全无。由于传感器302产生的光电流主要由可见光形成，因此传感器302具有较常规传感器102更接近人眼的光谱响应。
另一方面来说，当包括可见光与红外光的光312射至光传感器302上时，P-层306中产生载流子。由可见光导致产生的一部分载流子被N+区捕捉，并且造成由光传感器302产生的光电流。由于穿透氧化层310的IR光所产生的其它部分载流子由氧化层310或氧化层310下的材料307而与二极管绝缘，因此不对光电流有所贡献。此现象使得光电流主要代表可见光。
参照图3所描述的实施例可利用绝缘层上硅(SOI)技术来制造，其中薄硅层处于绝缘层(如二氧化硅)上，其转而位于体衬底(如所知为操作晶元)上。这使得包括电路结构的有源硅层可与体衬底绝缘。再参考图3，P-区306可为一薄的有源硅层，氧化物310可为绝缘层，而衬底307可为主体衬底。根据特定实施例，可移除体衬底(如307)以抑制体衬底可能发生的反射。当此发生时，穿透氧化物绝缘层310的IR光被芯片封装材料吸收，该材料如环氧树脂或铸模化合物。
参照图3描述的实施例也可利用蓝宝石基底硅芯片(SOS)技术，其中薄硅层在蓝宝石(Al2O3)衬底上成长，后者是氧化物。再参考图3，P-区306可为一薄的有源硅层，且该层310与307用单一蓝宝石层取代。
图3中显示氧化层上有单一PN结，但本发明实施例亦包括单一氧化层上有多个这种PN结，或有多个氧化层。换句话说，本发明实施例也包括复数个这种光电探测器，其共同用以产生光电流。本领域技术人员可了解这种复数个光电探测器也可应用于下面将描述的实施例中。这些拒绝IR的方案可替换为利用P+/N-光电二极管结构而完成，如下文中将更详细描述地。
图4A为根据本发明另一实施例的CMOS光传感器402的截面图。光传感器402被示为包括两个光电探测器403a与403b，其较佳而言彼此间隔开足够距离，使其可考虑为彼此实质上互相绝缘。此外，附带地或替换地，这种两个光电探测器403a与403b可利用绝缘区(未显示于图中)而彼此绝缘。
在P-层406中包括N+区404a的光电探测器403a基本上与参照图1描述的常规光电探测器相同。因此，当光412射至光电探测器403a上，由光电探测器403a产生的光电流将代表射至侦测器上的可见光与IR光两者。
另一个光电探测器403b也类似地在P-层406中包括N+区404b，前者可为P-外延区。然而，光电探测器403b的N+区由硅化物层408覆盖，其是CMOS工艺所固有的。此硅化物层408对可见光是不透明的(即可见光不可通过)，然而可允许一部分的IR光通过。因此，当光412射入至光传感器402上时，由光电探测器403b产生的光电流不代表射在侦测器上的可见光，而代表射在侦测器上的IR光。
因此，传感器402产生第一光电流，其代表可见光与IR光两者；并产生第二光电流，其代表IR光。根据本发明实施例，通过确定这种光电流间的差异，可产生主要代表可见光的差异光电流。此差异光电流对应于接近人眼的光谱响应。
换言之，光传感器402包括P-层406，其中含有N+区404a与404b。N+区404a与P-层406形成第一PN结光电二极管403a，而N+区404b与P-层406形成第二PN结光电二极管403b。硅化物层408是CMOS技术中固有的，其覆盖N+区404b(而非N+区404a)以阻挡可见光，并使至少一部分的IR光可通过。当包括可见光与IR光两者的光412射至光传感器402上时，载流子在P-层中产生。由于可见光与IR光射至N+区404a上时所产生的部分载流子被N+区404a捕捉，并且形成第一光电流，其代表可见光与IR光两者。由通过硅化物层408的IR光所产生的另一一部分载流子被N+区404b捕捉，并且形成第二光电流，其代表IR光。通过确定第一与第二光电流间的差异(可能为加权差异)所产生的差异光电流具有至少去除IR光的主要部分的光谱响应。
硅化物层408的厚度取决于CMOS工艺，且一般处于约0.01微米至0.04微米的数量级上，但不限于此。此厚度影响穿透硅化物层408并形成侦测器403b的光电流的IR光的量。即使是很薄的硅化物层408也阻挡一些IR光。因此，根据本发明特定实施例，根据经验的加权系数被用来补偿光电探测器403b产生的光电流，其仅代表部分射至光电探测器403b上的IR光。
图4B显示此加权减除如何完成，例如利用电流微调器(trimmer)417和/或电流增强器(booster)418、与差动器419。差动器419可为差动放大器，但不限于此。电流微调器与电流增强器可利用具适当增益的放大器来实现，其提供所需加权。如本发明每一个实施例中，适当的加权值可以各种不同方法的任一种来确定。举例来说，可利用模拟、试验性实验、或理论计算来获得。更有可能结合这种技术以适切地选择适宜加权系数。举例来说，模拟和/或理论计算可用以确定适当的加权系数(举例来说，其可得出放大器电路电阻的特定值)，并接着利用试验性实验以微调这种系数/值。光电流也可能转换为电压(如利用转阻放大器)，且该电压可适当调整，且可确定电压差。这些只是一些例子，其并非用以限制。本领域技术人员可了解，许多其它用以调整电流和/或电压的方法皆属于本发明精神范畴中。举例来说，可编程装置(如可编程的数字模拟转换器(DAC))可用以适当调整电压和/或电流。利用可编程装置的一优点为可基于例如温度的附加变量来选择性地调整适当增益。亦应注意电流信号或电压信号可转换至数字域，且这种信号的进一步处理(如调整一个或多个信号以及确定信号间的差异)可在数字域中执行，而非利用模拟成份。此数字域处理可利用专用数字硬件或诸如微处理器的通用处理器来进行。用于确定差异光电流的其它技术亦属于本发明范畴中。
图5A为根据本发明另一实施例的CMOS光传感器502的截面图。图中所示的光传感器502包括两个光电探测器503a与503b，其较佳而言以足够间隔彼此分离开，使其可被视为彼此实质上绝缘。附带地或可代换的，这种两个光电探测器503a与503b可利用绝缘区(未显示于图中)互相绝缘。
在P-层506中包括N+区504a的光电探测器503a基本上与参考图1所描述的常规光电探测器相同，且与图4A描述的光电探测器403a相同。因此，参考前文中描述可得光电探测器503a的其它细节。当光512射至光侦侧器503a上，由光电探测器503a产生的光电流代表射至侦测器上的可见光与IR光两者。
另一侦测器503b也在P-层506中包括N+区504b。然而，光电探测器503b的N+区由多晶硅(Poly-Si)层510所覆盖，后者是CMOS工艺中固有的。此多晶硅层510一般用以形成CMOS晶体管的栅极，且其对于可见光是不透明的(即可见光不可通过)，但可允许部分的IR光通过。因此，当光512射至光电探测器503b上时，由光电探测器503b所产生的光电流并不代表射至侦测器上的可见光，而代表射至侦测器上的IR光。
因此，传感器502产生：第一光电流，其代表可见光与IR光两者；第二光电流，其代表IR光。根据本发明实施例，通过确定这种光电流间的差异可产生主要代表可见光的差异光电流。此差异光电流因此代表人眼的光谱响应。
换言之，光传感器502在P-层506内包括N+区504a与504b。N+区504a与P-层506形成第一PN结光电二极管503a，而N+区504b与P-层506形成第二PN结光电二极管503b。多晶硅层510是CMOS技术故有的，其覆盖N+区504b(而非N+区504a)以阻挡可见光并使至少一部分的IR光通过。当包括可见光与IR光的光512射至光传感器502上时，P-层中产生载流子。由射至N+区504a上的可见光与IR所产生的一部分载流子被N+区504a捕捉并形成第一光电流，其代表可见光与IR光两者。由通过多晶硅层510的IR光所产生的其它部分载流子被N+区504b捕捉并形成第二光电流，其代表IR光。通过确定第一与第二光电流间的差异(可能为加权差异)所产生的差异光电流具有至少移除大部分IR光的光谱响应。
图5B所示是利用图5A的光传感器502所得到的模拟光谱响应图。参考图5B，线522显示一般光电探测器503a的模拟光谱响应，而线524显示光电探测器503b的模拟光谱响应，侦测器503b由多晶硅层510覆盖。线526显示与差异光电流相关的差异响应，其中来自光电探测器503b的光电流大小被乘上加权系数1.42(亦称为归一化系数)。前述参考图4B的相关技术可用以产生差异光电流。其它用以确定差异光电流的技术也在本发明范畴内。
在一替代实施例中，硅化物层被形成于光电探测器503b的多晶硅层510之上，其造成结合了图5A与4A的实施例的特征的一个实施例。
在图5C显示的另一实施例中，传感器502’包括光电探测器503a与光电探测器503b’，且后者具有两个多晶硅5101与5102层，其形成于N+区504b上。图5D为曲线，其显示利用图5C的光传感器502’所达成的模拟光谱响应。参考图5D，线522’显示一般光电探测器503a的模拟光谱响应，而线524’显示光电探测器503b’的模拟光谱响应，后者由两个多晶硅层5101与5102所覆盖。线526’显示差异响应，其中来自光电探测器503b’的光电流大小被乘上归一化系数1.42。上述参考图4B的相似技术也可用以产生差异光电流。其它用以确定差异光电流的技术也被包括在本发明范畴中。
如果需要，则可加入更多个多晶硅层。在替代实施例中，光电探测器503b’的最顶端多晶硅层(如5102)上形成硅化物层，其形成结合图5C与4A的实施例的特征的一个实施例。
再参考图2，可看到人眼的光谱响应高峰在约550nm。再参考图5B与5D中的线526与526’，可见传感器502与502’的模拟差异光谱响应高峰出现在400nm与500nm之间。根据本发明特定实施例，绿色滤光片(如约550nm滤光片)可置于传感器502与502’之上，以使得差异响应的高峰更接近550nm。
在图5A与5C的实施例以及图4A的实施例中，这种光传感器各自包括一般光电探测器与另一光电探测器，另一光传感器上至少覆盖有一个CMOS技术的固有层，其阻挡可见光而可使一部分IR光穿透。CMOS技术固有的该一个或多个层可为硅化物层、一个或更多个多晶硅层，或其组合，但不限于此。此外，在图5A与5C的实施例与图4A的实施例中，确定由两个光电探测器所产生的光电流之间的差异(更可能为加权差异)，该差异光电流的响应(称为差异响应)类似于人眼响应。
图6A为根据本发明另一实施例的CMOS光传感器602的截面图。光传感器602被示为包括两个光电探测器603a与603b，其较佳而言彼此相隔开足够距离，使其可视为彼此实质上绝缘。额外地或是可替代的，这两个光电探测器603a与603b也利用绝缘区(未显示于图中)与另一个绝缘。
在P-层606中包括N+区604a的光电探测器603a基本上与常规光电探测器相同，如参考图1描述的常规光电探测器以及参考图4A讨论的光电探测器403a。因此，光电探测器603a的附加细节可参考前文的描述。当光612射至光电探测器603a上时，由光电探测器603a产生的光电流代表射至侦测器上的可见光与IR光两者。
另一光电探测器603b在P-层606中包括N阱612，且在N阱612内有N+区604b，N+区较N阱612更为重掺杂。此处，光电二极管603b的PN结出现在N阱612与P-层606之间，后者可为外延层。较佳而言，N阱612够深而可吸收可见光的光子，因此减少(最好是避免)光电探测器603b所产生的光电流中有可见光的贡献。相反，IR光的光子更深地穿透光电探测器603b，至N阱612以下。这造成光电探测器603b产生一光电流，其主要代表光612的IR部分。
换言之，光传感器602在P-层606中包括N+区604b与N阱612。N+区604b处于N阱612中。N+区604a与P-层606形成第二PN结光电二极管603a。N阱612与P-层606形成第二PN结光电二极管603b。当包括可见光与IR光的光612射至光传感器602上时，P-层中产生载流子。由射至N+区604a上的可见光与IR光产生的部分载流子被N+区捕捉，并形成第一光电流，其代表可见光与IR光两者。由通过N阱的IR光所产生的另一部分载流子被N阱612中的N+区604b捕捉，并形成第二光电流，其代表IR光。通过确定第一与第二光电流间的差异而产生的差异光电流具有至少移除IR光的主要部分的光谱响应。
根据特定实施例，N阱612的深度范围为从约1至3微米，且N+区604b的深度约为从0.2至0.5微米。
图6B显示利用图6A的光传感器602所达成的模拟光谱响应，其中N阱612的深度为2微米。参考图6B，线622显示一般光电探测器603a的模拟光谱响应，而线624显示侦测器603b的模拟光谱响应，侦测器603b在N阱612内具有N+区604b。线626显示与差异光电流相关的差异响应，其中来自光电探测器603b的光电流的大小被乘上归一化系数1.20。与上文中参考图4B的描述类似的技术可用以产生差异光电流。其它用以确定差异光电流的技术也都在本发明范畴内。
根据本发明在图6C中示出的另一实施例，传感器602’类似于传感器602，除了硅化物层608(类似于参考图4A所述的硅化物层408)形成于N+区604b之上以形成光电探测器603b’。这造成结合图6A与4A的实施例的特征的一个实施例。
根据本发明在图6D中示出的又一实施例，传感器602”类似于传感器602，除了多晶硅610层(类似于参考图5A所述的多晶硅层510)形成于N+区604b上以形成光电探测器603b”。这造成结合图6A与5A的实施例的特征的一个实施例。此外，多晶硅层610上可形成硅化物层。该多晶硅层610上可形成一个或多个多晶硅层，如前文中参考图5C所述。顶端的多晶硅层上可形成硅化物层。
在上述实施例中，N+区被描述为位于或植入于P-层中。举例来说，在图3的实施例中，N+区304位于或植入于P-层306中。或者，区304可为P+区，而层306可为N-层。又举另一例来说，在图4A的实施例中，N+区404a与404b被示为植入于P-层406中，后者处于P++层407上。在替代实施例中，半导体传导材料是反向的。也就是重掺杂P+区可植入轻掺杂N-层，而在重掺杂N++层之上。类似的变化也可应用于本发明其它实施例中。这种变化的每一个也都在本发明范畴中。
本发明实施例的这种光传感器可作为周围可见光传感器，例如用以控制诸如移动电话及笔记本计算机的便携式设备中的背光，且可用于其它各种形式的光能级测量及管理。“周围可见光传感器”一词在本文中仅相对于“周围光传感器”使用，因为本发明实施例的传感器通过抑制或减少IR光响应来主要响应可见光。没有这种抑制或减少，则传感器的响应与人眼响应有极大的差异。相反，通过抑制或减少IR光响应，传感器的响应类似于人眼的响应，其可提供更佳的背光控制。
这种周围可见光传感器也有益处，因为其实现CMOS技术，其一般说来较诸如砷化镓或双极硅技术的其它技术便宜。更进一步地，CMOS电路相较于其它技术通常消耗较少功率。此外，CMOS光传感器可与诸如金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)的其它低功率CMOS器件在同一衬底上形成。
本发明实施例的这种光传感器可用于许多环境中，例如如同上述于LCD显示器环境中，或是下文将参考图7描述的环境中。本发明实施例也涉及包括前述创新光传感器的系统与设备。这种设备可例如笔记本计算机、移动电话、音乐播放器、便携式DVD播放器等等。
图7为根据本发明实施例的液晶显示(LCD)设备700的高级示图，其可为如面板中栅极驱动器(GIP)型的LCD设备。该LCD设备被示为包括控制电路700、栅极驱动电路702、数据驱动电路704、以及混合光导与LCD面板706。栅驱动电路704有时称为栅线驱动器。数据驱动电路704有时称为源线驱动器。LCD设备也被显示为包括栅线G1至GN以及数据线D1至DM，它们相互交叉。
每一栅线G1至GN与每一数据线D1至DM的交叉处为一薄膜晶体管(TFT)，如多晶硅或非晶硅TFT。TFT的栅极连接至栅线G1至GN中的一条，TFT的源极连接至数据线D1至DM中的一条，而TFT的漏极连接至液晶单元Clc的一端点(有时称为像素电极)。该Clc的另一端点连接至公用电压(Vcom)。储存电容Cs也被示为与Clc并联，其处于TFT的漏极与Vcom之间。TFT、Clc、与Cs可合称为像素。这种像素在LCD面板706中被排列为矩阵。
栅极驱动电路702具有复数个栅线输出G1至GN，其藉由提供有时称为扫描脉冲或栅线信号的栅极驱动脉冲而依序驱动面板706的栅线G1至GN。
图7还显示一背光光源712，其可为例如发光二极管(LED)阵列，其为LCD面板706提供背光。此LED阵列可例如RGB阵列，其被配置成提供白光，或是该阵列可包括白色LED。图7中也显示背光驱动器714与控制器708。该背光驱动器714亦可能在控制器708之中实现。
图7的系统亦包括抑制IR的光传感器，其可为前述本发明各种实施例中的任一种光传感器(即402、502、502’、602、602’或602”)。根据本发明特定实施例，抑制IR的光传感器可作为周围可见光传感器，其提供类似于人眼的光谱响应，且其用以调整背光光源712的亮度。
更具体地，若使用光传感器402，该传感器可产生主要代表可见光的光电流。控制器可基于此光电流的电平调整背光。控制器可例如通过利用模拟数字转换器(ADC)716将光电流转换为数字信号，并将数字信号供应至控制器708来确定信号大小。
或者，光传感器502、502’、602、602’或602”可用以产生：第一光电流，其代表可见光与IR光两者；第二光电流，其代表IR光；因此有差异光电流藉由确定第一与第二光电流间的差异而产生，其具有移除大部分IR光的光谱响应。该差异光电流可由如参考图4B在前文中描述的方法产生，其显示加权减除是如何例如利用电流微调器417和/或电流增强器418与差动器41完成的。或者，第一与第二光电流可由相应ADC 716转换为数字信号，且控制器708可确定第一与第二光电流间的差异(其可为加权差异)。光电流也可在提供至ADC 716或差动器之前先转换为电压。在任一种方法中，控制器可确定差异光电流的电平，并基于该电平来控制背光源的亮度。
控制器708可如前所述接收一个或多个信号，且可利用该一个或多个信号监控周围光。基于周围光的能级，控制器708可调整背光的亮度，以针对周围光能级而维持适当量的背光，并于适当时节省功率。换句话说，这种光传感器402、502、502’、602、602’或602”可用于在反馈循环中控制背光。
背光亮度越大，则对比度就越大，其在高周围可见光中提供显示器较佳的画面。相反，当周围可见光较低时，则观赏显示器所需的对比度则较小。因此，为了减少背光造成的功率消耗，当周围可见光较低时使用较少的背光。因此，控制器708可调整背光光源712的亮度，使得背光随着周围可见光减少而降低(以节省功率)，且该背光随周围可见光增加而增加。控制器708可直接控制背光源712，或是经由背光驱动器714来控制。
图7显示光源可如何用以调整TFT LCD显示器的背光。然而，本发明的实施例不限于用于这种显示器。本发明实施例可用于其它类型的背光显示器，例如OLED显示器，但不限于此。这种背光显示器可例如便携式设备的一部分，例如具有显示器的移动电话、笔记本计算机、MP3或其它音乐播放器、便携式DVD播放器等等。
本发明的一些实施例也涉及产生光电流的方法，这种光电流主要代表可见光而非IR光。换句话说，本发明一些实施例也涉及提供光传感器的方法，这种光传感器具有类似于人眼的光谱响应。此外，本发明实施例也涉及利用上述光传感器的方法，以及使用这种传感器的系统与设备。
图8A的高级流程图归纳一些根据本发明实施例的特定方法，其用以在系统中控制背光，该系统包括显示器(如706)与作为显示器背光的光源(如712)。在步骤802，产生光电流，其主要代表可见光。在步骤804，根据前述任何一种方法光源的亮度基于光电流的大小来控制。图8B的高级流程图提供步骤802的一些附加细节。参考图8B，在步骤812，随着接收入射光产生载流子，其中入射光包括可见光与红外(IR)光。在步骤814，由可见光所产生的部分载流子被捕捉，因此该部分载流子贡献于所产生的光电流。在步骤816，由IR光产生的另一部分载流子被吸收，因此此部分载流子不会对光电流有贡献，因此光电流主要代表可见光。前文中参考图3所描述的光传感器302可用以执行步骤812-816，更一般地，执行步骤802。控制器(如708)可用以执行步骤804。
图9的高级流程图归纳本发明的用以在系统中控制背光的替代方法，该系统包括显示器与作为显示器背光的光源。在步骤902，产生代表可见光与IR光两者的第一光电流。在步骤904，产生代表IR光的第二光电流。在步骤906，藉由确定第一与第二光电流间的差异(如加权差异)而确定差异电流，其中差异光电流具有移除大部分IR光的光谱响应。在步骤908，利用上述任何一种方法光源的亮度基于差异光电流的电平来控制。这种光传感器402、502、502’、602、602’或602”皆可用以执行步骤902-906。控制器(如708)可用以执行步骤908。
本发明各种实施例已在前文中描述，而应了解其仅作为范例描述，而不限于此。本领域相关技术人员可了解此处的形式与细节上可有各种变化而不脱离本发明精神与范畴。
本发明的广度与范畴不应为任何上述示例性实施例所局限，而应仅根据所附权利要求及其等效范围而定义。
Claims (23)
1.一种光传感器，其包含：
第一传导型层；
第二传导型的第一区，其处于所述第一传导型层中，并与所述第一传导型层形成第一PN结光电二极管，其中所述第一PN结光电二极管大体上垂直于所述第一区的不与所述第一传导型层相接触的表面；
第二传导型的第二区，其处于所述第一传导型层中，并与所述第一传导型层形成第二PN结光电二极管，其中所述第二PN结光电二极管大体上垂直于所述第二区的不与所述第一传导型层相接触的表面；
CMOS技术固有的至少又一层，其覆盖所述第二传导型的第二区，而非所述第二传导型的第一区，所述至少又一层会阻挡可见光而可允许至少一部分的红外光IR穿透；
其中当包含可见光与IR光两者的光射至所述光传感器上时，所述第一传导型层中产生载流子；
其中一部分由射至第二传导型的第一区的可见光与IR光所产生的载流子被所述第二传导型的第一区捕捉，并形成第一光电流，其大体上垂直于所述至少又一层且代表所述可见光与所述IR光；
其中另一部分由通过所述至少又一层的IR光所产生的载流子被所述第二传导型的第二区捕捉，并形成第二光电流，其大体上垂直于所述至少又一层且代表所述IR光；
其中藉由确定所述第一光电流与所述第二光电流间的差异产生差异光电流，其具有移除大部分IR光的光谱反应。
2.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于，用以产生所述差异电流的差异是加权差异，其补偿至少一部分不通过所述至少又一层的IR光。
3.如权利要求2所述的光传感器，其特征在于，所述第一传导型层包含外延层。
4.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于，：
所述第一传导型层包含P-层；
所述第二传导型的第一区包含第一N+区；
所述第二传导型的第二区包含第二N+区。
5.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于，：
所述第一传导型层包含N-层；
所述第二传导型的第一区包含第一P+区；
所述第二传导型的第二区包含第二P+区。
6.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于，所述至少又一层包含硅化物层。
7.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于，所述至少又一层包含多晶硅层。
8.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于，所述至少又一层包含多晶硅层，其覆盖所述第二传导型的第二区，并有硅化物层覆盖所述多晶硅。
9.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于，所述至少又一层包含第一多晶硅层，其覆盖所述第二传导型的第二区，且有至少又一多晶硅层覆盖所述第一多晶硅层。
10.如权利要求9所述的光传感器，其特征在于，所述至少又一层包含硅化物层，其在最上层多晶硅之上。
11.一种光传感器，其包含：
第一传导型层；
第二传导型的第一区，其处于所述第一传导型层中，并与所述第一传导型层形成第一PN结光电二极管；
第二传导型阱，其处于所述第一传导型层中，且与所述第一传导型层形成第二PN结光电二极管，其中所述第二传导型阱的深度足以吸收可见光的光子同时允许红外IR光的光子穿过所述阱；
第二传导型的第二区，其处于所述第二传导型阱中，其中所述第二传导型的第二区相较于所述第二传导型阱为较重掺杂；
其中当包含可见光与红外IR光两者的光射至所述光传感器上时，所述第一传导型层中产生载流子；
其中一部分由射至第二传导型的第一区上的可见光与IR光产生的载流子，被所述第二传导型的第一区捕捉，并形成第一光电流，其代表所述可见光与所述IR光两者；
其中另一部分由穿透所述第二传导型阱的IR光产生的载流子，被所述第二传导型阱中的第二传导型的第二区捕捉，并形成第二光电流，其代表所述IR光；
其中藉由确定所述第一光电流与所述第二光电流间的差异而产生差异光电流，其具有移除大部分IR光的光谱反应。
12.如权利要求11所述的光传感器，其特征在于，所述第一传导型层包含外延层。
13.如权利要求11所述的光传感器，其特征在于，
所述第一传导型层包含P-层；
所述第二传导型的第一区包含第一N+区；
所述第二传导型阱包含N阱；
所述第二传导型的第二区包含第二N+区。
14.如权利要求11所述的光传感器，其特征在于，
所述第一传导型层包含N-层；
所述第二传导型的第一区包含第一P+区；
所述第二传导型阱包含P阱；
所述第二传导型的第二区包含第二P+区。
15.如权利要求11所述的光传感器，其进一步包含：
CMOS技术固有的至少又一层，其覆盖所述第二传导型的第二区，而非所述第二传导型的第一区，所述至少又一层阻挡可见光而允许至少一部分的红外IR光穿透。
16.如权利要求15所述的光传感器，其特征在于，所述至少又一层包含硅化物层。
17.如权利要求15所述的光传感器，其特征在于，所述至少又一层包含多晶硅层。
18.如权利要求15所述的光传感器，其特征在于，所述至少又一层包含多晶硅层，其覆盖所述第二传导型的第二区，且有硅化物层覆盖所述多晶硅。
19.如权利要求15所述的光传感器，其特征在于，所述至少又一层包含第一多晶硅层，其覆盖所述第二传导型的第二区，且有至少又一多晶硅层在所述第一多晶硅层上。
20.如权利要求19所述的光传感器，其特征在于，所述至少又一层包含硅化物层，其处于最上层的多晶硅之上。
21.如权利要求15所述的光传感器，其特征在于，用以产生差异电流的差异是加权差异，其补偿至少一部分未穿透所述至少又一层的IR光。
22.如权利要求11所述的光传感器，其特征在于，所述光传感器内的所述第二传导型阱的深度范围为从1至3微米。
23.一种具有如权利要求1-22中任一项所述的光传感器的系统，其包含：
显示器；
光源，作为所述显示器的背光；以及
控制器，用以控制所述光源的亮度；
其中所述光传感器产生代表可见光与IR光两者的所述第一光电流，以及代表IR光的所述第二光电流；以及
其中所述控制器根据所述差异光电流的大小来控制所述光源的亮度，所述差异光电流藉由确定所述第一光电流与所述第二光电流间的差异而产生。
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