CN102446911A - 环境光传感器和接近度检测器中的双层光电二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施方案提供了用于检测环境光和与物体的接近度二者的系统、装置和方法。这种检测通过双层光电二极管阵列和对应的电路执行，使得可以由多个集成的光电二极管来使能环境光和接近度检测。在本发明的各种实施方案中，使用第一组光电二极管和第二组光电二极管感测环境光，使得形成大致等于可见光谱的光谱响应。使用位于第一组光电二极管和第二组光电二极管下的集成的光电二极管来实现接近度检测，所述集成的光电二极管检测红外光并对其产生响应。
Description
技术领域
本发明总体上涉及环境光感测和接近度(proximity)检测，并且更具体地，涉及具有改进的环境光感测和红外灵敏度的双层环境光传感器和接近度检测器光电二极管阵列。
背景技术
本领域的技术人员很明白环境光感测和接近度检测的重要性。这两项技术尤其可应用于移动电子器件市场，因为有效的环境光传感器和接近度检测使得移动装置能正确地管理功耗并且延长电池寿命。通常，环境光传感器和接近度检测器在不同的波段(wavelengthband)中工作，并且在集成的传感器阵列中具有不同的结构。
环境光传感器确定传感器周围环境内的可见光强度。具体地，环境光传感器提供对环境内正被检测的可见光(通常中心在550nm左右的窄波段)的量的响应。这些传感器通常用于移动装置中，以检测正在使用装置的环境中存在的光量。基于这种检测，可以调节移动装置上的显示器的亮度或强度，来为使用者提供最佳的强度同时还正确地管理显示器的功耗。本领域的技术人员将认识到，对于环境光检测器而言，存在许多其他的应用。
图1A示出通常被称为CIE光适应曲线的曲线。这个曲线代表人眼的相对光谱响应。可见，人眼对400nm以下或700nm以上的波长不敏感。所期望的是，环境光传感器所提供的光谱响应与这个曲线尽可能接近地匹配。
图1B示出表征现有技术中的典型硅光电二极管的光谱响应的曲线。可见，硅光电二极管响应始于300nm并且延伸到1000nm以上的波长。峰值响应(peak responsivity)处于800nm左右的区域内。通过比较图1A和图1B，很明显，未改进的硅光电二极管无法用作精确的环境光传感器，因为它对人视力范围外的光的波长敏感。在700nm和900nm之间的红外区域中，这两个曲线之间的不匹配最明显，因为虽然人眼不响应超过700nm的波长，但是硅光电二极管在这个区域内的响应性强。熟知的是，几乎所有的自然光源和人造光源都包含范围在700nm至1000nm内的变化的红外辐射的量。具体地，来自白炽灯泡的光还有来自太阳的光包含大量的红外辐射。虽然人们可以通过热的形式感觉到这种辐射，但是人门无法看到它。因此，为了使用通用的硅光电二极管作为精确的环境光传感器，必须改进其响应性，以更接近地匹配人眼响应。
改进硅光电二极管的光谱响应所采用的最常用且最经济的方法是在光电二极管的表面上施用彩色滤光器(color filter)。图1C示出典型红色滤光器(red filter)102、典型绿色滤光器(green filter)103的光谱响应以及施加在红色滤光器104顶部的绿色滤光器的组合响应。对这种实践方式进一步的改良是将环境光感测光电二极管分成两个相等但是分开的部分。将绿色滤光器施用于一个部分，并且将绿色滤光器与红色滤光器的组合施用于另一个部分。来自这两个光电二极管的各自的信号可以按比例缩放，并且然后电子地彼此相减以生成图1D所示的曲线，图1D还包括作为基准的复制的CIE曲线。可见，经过电学上处理的信号的响应G-(G+R)108非常逼近理想的CIE曲线107。
光学接近度检测器确定在传感器的某一范围内是否存在反射性目标物(target)。预期的目标物可以是任何反射光的物体。这些接近度检测器是通过以脉冲方式或以连续方式发射光并且然后感测目标物所反射的光来工作的。在其他应用中，接近度传感器被用在移动电话装置内，以检测放在耳朵或面部旁边的手持机(handset)。在使用者使用电话的这段时间内，为了节省电池电量，可以降低对装置屏幕和/或其他应用部件的供电。本领域的技术人员将认识到，对于接近度检测器而言，存在许多其他的应用。
接近度检测器通常采用红外发射光源作为发光器。做出这种选择是出于多种原因，这多种原因包括在靠近850nm和940nm的红外波长处高性能LED光源的充足的可用性，硅光检测器在该波长区域内的高灵敏度，以及对接近度检测器作用是不可见的而因此不能被使用者察觉到的需要。
因为目标物具有未知的特性，所以目标物的反射性的可变性会极强。例如，为了检测移动电话听筒与人面部的接近度，接近度检测器必须能够在深色头发、浅色头发、深色衣物(如，帽子或围巾)以及具有或没有面部毛发的裸露皮肤存在反射的情况下进行正确操作。这种反射性的高度可变性要求非常灵敏的检测器。
图1E图示说明通常在现有技术中发现的同时提供环境光感测和接近度检测的光电二极管100的阵列。该阵列包括上面构造了N阱光电二极管的P型衬底105。为了形成之前所描述的光电二极管的响应，将一个或更多个彩色滤光器层置于各光电二极管之上。将绿色滤光器120置于各N阱光电二极管的顶部并且只将红色滤光器110(除了绿色滤光器之外)置于特定的光电二极管上。通常，接收这两层的光电二极管的数量等于只接收绿色层的数量。这些光电二极管中的第一组用作绿色和红色N阱光电二极管130，而这些光电二极管中的第二组用作绿色N阱光电二极管140。
图1E所示的阵列执行环境光感测和接近度检测。环境光感测功能生成匹配图1A的CIE曲线的光谱曲线。如之前所描述的，环境光感测功能的一个重要特性是能够抑制原本对红外光的高灵敏度。通过执行之前所描述的数学运算G-(G+R)来执行这种功能。然而，接近度检测功能具有迥异的要求。为了感测是否存在850nm或940nm的红外波长的光，其必须具有高的红外灵敏度。就红外检测而言，这两种功能对光传感器提出相反的要求，一种功能要求抑制红外，而另一种功能要求增强红外接收。在一个传感器中难以满足这两个冲突的要求，并且实际上通常采用的是折衷方案。
图2图示说明现有技术系统中的绿色像素响应和红色像素响应的示例性响应。所提供的第一图线210只示出绿色传感器响应。同时，所提供的第二图线220只示出红色响应，第三图线230示出绿色+红色响应并且第四图线240示出绿色-K×(绿色+红色)响应，其中，K是比例常数。在图线250中还提供了未经滤光的光电二极管响应。
图3示出图线310(与图线240相同)，即绿色-K×(绿色+红色)响应，连同图线320，即之前所讨论的CIE曲线。本领域的技术人员将认识到，通过处理来自光电二极管的过滤信号得到的图线310提供CIE曲线320的相当精确的表征。
通过执行数学算法绿色-K×(绿色+红色)得到图线310。仔细观察绿色图线210和K×(绿色+红色)图线230，揭示出在700nm和1000nm之间的红外区域中，这两个图线非常好地匹配。这就是为什么所得到的这两个信号的相减(如图线310所示例的)在所关注的红外波长内具有小的生成响应。容易认识到，这种减法运算的精确度非常大的程度上取决于得到校正增益常数K，并且也取决于精确执行减法运算。K值或减法运算中的小误差将导致环境光传感器的红外响应的大误差。这种对误差的灵敏度很大程度上是因为相减的两个信号具有大的红外灵敏度这一事实。两个大数相减得到小的结果对误差是非常敏感的。
图1E所示的相同阵列的光电二极管还用于现有技术系统中的接近度检测功能。通过观察图2，明显的是，图线230的信号(即绿色+红色信号)可以用于接近度检测功能。这个信号在所需的850nm和940nm的波长内具有宽的峰值响应，而在可见波长内几乎没有响应。在可见波长内的低灵敏度有利于接近度检测器降低源自环境可见光的故障触发。不幸的是，有利于接近度检测器功能的红外波长内的强响应(robust response)同时对于环境光传感器是不利的。
所需的是一种集成的光传感器和接近度检测器，其中，环境光传感器对于可见波长具有增强的灵敏度而对于红外波长具有降低的灵敏度，并且接近度检测器对于红外波长具有增强的灵敏度而对于可见波长具有降低的灵敏度。
发明内容
本发明的实施方案提供了用于检测环境光和与物体的接近度二者的系统、装置和方法。这种检测通过双层光电二极管阵列和对应的电路执行，使得可以使用来自第一组光电二极管和第二组光电二极管的信号推导出环境光。具体地，通过以下步骤感测环境光：对来自这两组光电二极管的信号进行数学运算，使得所产生的光谱响应非常逼近CIE曲线(可见光谱)。通过以下步骤执行接近度检测：测量位于第一组光电二极管和第二组光电二极管下面的结处的第三光电二极管处检测到的红外光的量。
本发明的实施方案提供了优于现有技术的各种优点，包括(但不限于)由于共用模式红外检测的减少所导致的环境光传感器的性能提高。这种共用模式红外检测的减少是因为第三光电二极管将迁移到上光电二极管阵列的不期望的光电流(源自红外辐射)减少到最少。例如，当本发明的光电二极管阵列执行环境光感测时，下N外延(n-epi)第三光电二极管在电源和地之间被反向偏置，并且然后下光电二极管中收集的光电流分流到电源中，而不是分流到测量电路中。本领域的技术人员将认识到，可以将下光电二极管的结深度(junction depth)置于之前所描述的优选地用于收集红外辐射的深度。
虽然利用G-(G+R)运算的减法方案在降低对红外辐射的灵敏度方面是有效的，但是由于存在下光电二极管，因此去除了原本需要被减去的相当大量的共用模式红外信号。通过减小共用模式红外信号的大小，对减法运算精度的要求放宽。这样提高了良率，增大了信噪比并且降低了对工艺变量的敏感度且减少了其他不足。
因为下光电二极管位于优选地用于检测红外辐射的结深度，所以接近度检测器功能的性能得以提高。而在现有技术中，红外检测光电二极管被限制成与环境感测光电二极管处于相同的结深度。在本发明的实施方案中，可以选择红外感测光电二极管的结深度，而不用顾及环境光感测光电二极管。由两个单独的光感测结构实现另外的优点，这两个结构堆叠于彼此的顶部，并且可以占用相同的空间，由此节省下有价值的芯片区域。
光电二极管阵列采用像素化光电二极管来有效地形成正被二极管检测的波段。在某些实施方案中，第一组光电二极管位于绿色滤光器之下并且第二组光电二极管位于绿色滤光器和红色滤光器之下。光电二极管位于N型外延层上方，而N型外延层位于P型衬底上方。N型外延层和P型衬底之间的结限定红外检测结型二极管。
在本发明内容部分已经总体上描述了本发明的某些特征和优点；然而，在本文中提出另外的特征、优点和实施方案或者根据其附图、说明书和权利要求书，这些另外的特征、优点和实施方案对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。因此，应该理解，本发明的范围不应该受本发明内容部分公开的特定实施方案限制。
附图说明
将参照本发明的实施方案，这些实施方案的实施例可以在附图中被图示说明。这些附图旨在是示例性的而非限制性的。虽然在这些实施方案的背景下总体描述了本发明，但是应该理解这不旨在将本发明的范围限于这些特定的实施方案。
图1A是本领域技术人员已知的示例性CIE光适应曲线(photoptic curve)。
图1B是本领域技术人员已知的典型硅光电二极管光谱响应图线。
图1C图示说明绿色、红色和绿色+红色滤光器的光谱响应的示例性图线。
图1D图示说明与可见光谱和CIE光适应曲线相关联的使用绿色和绿色+红色光电二极管的光谱响应的实施例。
图1E是现有技术中通用的像素化光电二极管阵列的实施例。
图2是现有技术的光电二极管阵列的环境光响应的总体图示。
图3是现有技术的光电二极管阵列的环境光响应和红外响应的总体图示。
图4A是根据本发明的各种实施方案的用于环境光感测和红外感测的双层光电二极管阵列的图示。
图4B是图示说明硅吸收系数的倒数的图线。
图5是示出根据本发明的各种实施方案的双层光电二极管阵列的环境光感测响应和红外感测响应二者的示例性图线。
图6是根据本发明的各种实施方案的集成的环境光传感器和接近度检测器的结构表征。
图7是根据本发明的各种实施方案的用于环境光和接近度感测的双层光电二极管阵列和对应电路的图示。
图8是根据本发明的各种实施方案的用于环境光和接近度感测的集成的双层光电二极管阵列和对应电路的图示。
具体实施方式
本发明的实施方案提供了用于检测环境光和与物体的接近度二者的系统、装置和方法。这种检测是由双层光电二极管阵列和对应的电路执行的，使得使用来自第一组光电二极管和第二组光电二极管的信号来推导环境光。具体地，通过以下步骤来感测环境光：对来自这两组光电二极管的信号执行数学运算，使得产生非常逼近CIE曲线(可见光谱)的光谱响应。通过以下步骤执行接近度检测：测量位于第一组光电二极管和第二组光电二极管下面的结处的第三光电二极管处检测到的红外光的量。
在以下的描述中，为了进行说明，阐述具体细节来提供对本发明的理解。然而，本领域的技术人员将显而易见的是，可以在不选用这些细节的情况下实践本发明。本领域的技术人员将认识到，本发明的实施方案(以下描述了其中的一些实施方案)可以有利地被并入多个不同的装置和系统。方框图所示的结构和装置是本发明的示例性实施方案的示例，并且被包括以避免模糊本发明。此外，附图内的各组件之间的连接不旨在限于直接连接。相反，可以改进、重新构造或者通过中间组件改变这种组件连接。
本文对本发明的“一个实施方案”或“实施方案”的引用意指结合实施方案所描述的特定特征、结构、特性或功能被包括在本发明的至少一个实施方案中。在说明书中的各个位置使用短语“在一个实施方案中”不必都是对本发明的单个实施方案的引用。
图4图示说明根据本发明的各种实施方案的双层光电二极管阵列。该光电二极管阵列包括位于N型外延层420内和/或上方的多个像素化P阱光电二极管410、415。通过以下步骤实现光电二极管410、415的像素化：跨各光电二极管410放置第一彩色滤光器并且在光电二极管一子集的上方将第二彩色滤光器放置在第一彩色滤光器的顶部上。这种像素化的结果是：只具有第一彩色滤光器的第一组光电二极管415具有对第一波段的响应，并且具有第一彩色滤光器和第二彩色滤光器二者的第二组光电二极管410具有对第二波段的响应。在本发明的某些实施方案中，第一彩色滤光器是绿色滤光器并且第二彩色滤光器是红色滤光器。
N型外延层420生长在P型衬底上方，使得这两层之间的结435用作红外感测二极管，进行接近度检测。该结435显著提高了装置的红外感测功能的灵敏度。
本领域的技术人员将认识到，电磁辐射的吸收深度随波长而变化。吸收深度被定义为这样的深度，在该深度辐射已经降低到穿透表面的辐射大小的1/e或37％。反过来说，也是在该深度，63％的辐射已被吸收并转换成光电流。通过将结置于这个深度，这样的可能性增加，即所产生的光电流将被光电二极管收集而非因为复合或其他损失机制而损失。图4B示出硅的吸收系数的倒数随波长而变化。在一个实施方案中，对于850nm和940nm的红外波长中的波长而言，优选的用于收集光电子的结深度大于10μm。
这些较长波长的深穿透性有助于针对接近度检测器选择较深的光电二极管结。本领域的技术人员将认识到，可以使用其中将多个表面光电二极管置于表面内的红外检测二极管上方的各种工艺来制造双层光电二极管阵列。在某些实施方案中，设置外延层，以在表面光电二极管和红外检测二极管之间有效地产生深度。在其他实施方案中，还可以实施双扩散工艺，在该工艺中，层置于表面光电二极管下面并且在层与衬底之间的结处形成光电二极管结构。这两种制造方法应该被视为实施例，而并没有对在表面光电二极管和红外检测二极管之间提供深度的方法作出任何限制。
N外延和P衬底之间的结435导致检测红外的灵敏度显著变大，因为结由于其在半导体表面下面的深度增加而导致其检测能力增强。由于相对于现有技术的系统，对整个光电二极管阵列进行共用模式的红外检测的量减少，导致结还改进了环境光检测。这种共用模式的红外检测的减少是由于较长波长深度穿透衬底并且被检测到(即，电子-空穴对产生于装置衬底的更深处并且迁移回光电二极管)而造成的。通过在用数学方法推导响应的过程中减少共用模式红外抵消(即，减法)的效应，这种共用模式的红外检测的减少还导致装置内进行的检测增强。
本领域的技术人员将认识到，结435的深度可以有所不同。
在图5中示出通过本发明得到的改进的实施例。曲线510示出从被绿色滤光器覆盖的环境光感测像素415测得的相对光谱响应。曲线540示出得自被绿色+红色滤光器覆盖的像素410的相对光谱响应。曲线520示出用于接近度检测器的下光电二极管435的相对光谱响应。明显的是，用于接近度检测器的较深的光电二极管结的红外灵敏度显著提高。共用模式红外信号540的减小也是明显的。
本领域的技术人员将认识到，高灵敏度的红外响应和改进的环境光响应可以应用于重点在于电源管理的听筒和移动装置。另外，这些移动装置中的许多在显示器之上包括深色玻璃或烟色玻璃，其进一步削弱了可见光谱内的光但是没有有意义地减弱红外光。在这种情形下，保持共用模式红外检测的光处于最低水平变得更加重要。
图6是根据本发明的各种实施方案的用于环境光和接近度检测的双层光电二极管器件的结构表征。在该图示中，第一部分610中示出半导体器件的结构。第二部分620表征环境光传感器并且第三部分630表征接近度检测器。
本发明的实施方案以针对两种操作模式(如图6所示的环境光感测和接近度检测)的两种不同电路连接进行操作。第一部分610示出表征图4的物理结构的电路图。下N外延光电二极管611的阳极通常接地，并且下光电二极管611的阴极连接到上光电二极管612的阴极，其中，要理解光电二极管612通常是多个像素化的光电二极管。光电二极管(一个或更多个)612的阳极被标记为P阱。
第二部分620图示说明电路如何连接两个光电二极管结构进行环境光感测。下光电二极管611的阴极和光电二极管(一个或更多个)612的阴极共用的节点通过电路元件连接到电源或任何其他低阻抗电压源。测量电路连接到上光电二极管(一个或更多个)的阳极。
第三部分630图示说明电路如何连接光电二极管进行接近度感测。P阱光电二极管(一个或更多个)612是自短路的，并且测量电路连接到下N外延光电二极管611的阴极。
本领域的技术人员将认识到，可以采用各种半导体制造工艺来构建半导体器件。例如，可以采用结合电路拓扑工艺的BiCMOS工艺来形成堆叠的光电二极管结构。
图7是根据本发明的各种实施方案的具有对应电路的光电二极管阵列的图示。在该附图中，来自光电二极管的信号710被提供到电路，使得响应可见光谱和红外光谱的二者的第一信号720被提供到第一模数转换器760。只响应可见光谱的第二信号730被提供到第二模数转换器750。与结型二极管435的响应相关的第三信号740被提供到模数转换器。随后，在数字域中执行用于推导红外响应的数学处理。提供微控制器770对该信息进行后续处理。
在这个具体实施方案中，红外LED发射器760与检测器装置分开。在其他实施方案中，红外LED发射器760与如图8中所示的检测器进行集成。
为了简要和理解的目的，已描述了本发明的以上说明。其不旨在将本发明限于所公开的精确形式。在所附权利要求书的范围和等同范围内，可以进行各种修改。
Claims (20)
1.一种多层光电二极管阵列，所述多层光电二极管阵列包括：
衬底；
第一层，所述第一层直接位于所述衬底上方；
第一光电二极管，所述第一光电二极管集成在所述第一层上，所述第一光电二极管对第一波段产生第一响应；
第二光电二极管，所述第二光电二极管集成在所述第一层上，所述第二光电二极管对第二波段产生第二响应；
第三光电二极管，所述第三光电二极管位于所述衬底与所述第一层之间的结处，所述第三光电二极管对红外波段产生第三响应，从所述红外波段执行接近度检测测量；并且
其中，通过对所述第一响应和所述第二响应进行数学处理从而产生与可见光谱相关联的光谱响应来感测环境光。
2.如权利要求1所述的光电二极管阵列，其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管被像素化。
3.如权利要求2所述的光电二极管阵列，其中，在所述第一光电二极管上方设置绿色滤光器和红色滤光器。
4.如权利要求2所述的光电二极管阵列，其中，在所述第二光电二极管上方只设置绿色滤光器。
5.如权利要求4所述的光电二极管阵列，其中，通过从所述第一响应减去所述第二响应来产生环境光光谱响应。
6.如权利要求1所述的光电二极管阵列，其中，所述第一层是外延层。
7.如权利要求1所述的光电二极管阵列，其中，通过双扩散工艺形成所述第一层。
8.如权利要求1所述的光电二极管阵列，其中，所述第一波段的中心在大致550nm左右。
9.如权利要求1所述的光电二极管阵列，其中，所述衬底是P型衬底。
10.如权利要求1所述的光电二极管阵列，其中，所述外延层是N型外延层。
11.一种用于感测环境光和检测接近度的方法，所述方法包括：
在第一光电二极管处通过感测可见光谱内的光来产生第一响应；
在第二光电二极管处通过感测可见光谱和红外光谱内的光来产生第二响应；
在位于所述第一光电二极管和所述第二光电二极管下方一深度处的第三光电二极管处，通过感测红外光来产生第三响应；
通过对所述第一响应和所述第二响应进行数学处理来确定环境光强度；以及
使用所述第三响应测量接近距离。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管被像素化。
13.如权利要求12所述的方法，其中，在所述第一光电二极管上方设置绿色滤光器和红色滤光器。
14.如权利要求12所述的方法，其中，在所述第二光电二极管上方只设置绿色滤光器。
15.如权利要求14所述的方法，其中，通过从所述第一响应减去所述第二响应来产生确定环境光强度的步骤。
16.一种用于感测环境光和检测接近度的系统，所述系统包括：
光电二极管阵列，所述光电二极管阵列包括：
衬底；
第一层，所述第一层直接位于所述衬底上方；
第一光电二极管，所述第一光电二极管集成在所述第一层上，所述第一光电二极管对与环境光感测相关联的第一波段产生第一响应；
第二光电二极管，所述第二光电二极管集成在所述第一层上，所述第二光电二极管对第二波段产生第二响应；
第三光电二极管，所述第三光电二极管位于所述衬底与所述第一层之间的结处，所述结型二极管对红外波段产生第三响应；
运算逻辑部件，所述运算逻辑部件被耦合以接收所述第一响应、所述第二响应和所述第三响应，并且产生环境光的强度测量值和得出接近度计算结果；以及
红外发射器，所述红外发射器产生脉冲红外信号。
17.如权利要求16所述的系统，其中，所述光电二极管阵列和所述计算逻辑部件被集成在单个半导体器件内。
18.如权利要求16所述的系统，其中，所述光电二极管阵列、所述计算逻辑部件和所述红外发射器被集成在单个半导体器件内。
19.如权利要求16所述的系统，其中，所述系统位于移动装置内。
20.如权利要求19所述的系统，其中，所述移动装置包括设置在显示器之上的深色玻璃。
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