CN105405914A - 具有滤光器的紫外传感器 - Google Patents
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Abstract
提供技术用来提供光传感器，该光传感器包括设置在光电探测器之上的滤光器以滤除可见光和红外光波长从而允许对紫外(UV)光波长进行感测。在一个或多个实施方式中，该光传感器包括具有衬底的半导体器件(例如，管芯)。光电探测器(例如，光电二极管，光电晶体管等)形成在该衬底上且与该衬底的表面邻近。在一个或多个实施方式中，该衬底包括绝缘体上硅(SOI)衬底。滤光器(例如，吸收滤光器，干涉滤光器，平通滤光器，基于McKinlay-Diffey红斑作用光谱的滤光器，UVA/UVB滤光器等等)设置在光电探测器之上。该滤光器配置为从该光传感器接收的光中滤除红外光和可见光，以至少基本阻碍红外光和可见光到达该光电探测器。该SOI衬底的厚度可以是定制的以改变接收到的UV/可见光波长的比例。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求根据35U.S.C.§119(e)要求2014年5月23日提交的题目为“具有滤光器的紫外传感器”的美国临时申请号62/002,211的权益。美国临时申请号62/002,211以全部内容通过引用并入于此。
背景技术
电子设备，例如智能电话，平板电脑，数字媒体播放器等等，越来越多地采用光传感器来控制该设备提供的一系列功能的操作。例如，光传感器可用于电子设备以探测环境状况，例如环境照明条件以控制设备显示屏的亮度。典型的光传感器采用光度感应器，例如光电二极管，光电晶体管等，其将接收到的光转换为电信号(例如，电流或电压)。
发明内容
光传感器被描述为包括在光电探测器上放置的滤除可见和红外光波长而允许感测紫外(UV)波长的滤光器。在一个或多个实施方式中，光传感器包括包含衬底的半导体器件(例如，管芯)。光电探测器(例如，光电二极管，光电晶体管等)形成在衬底内临近衬底的表面。在一个或多个实施方式中，衬底包括绝缘体上硅衬底(silicononinsulatorsubstrate，SOI)，例如在绝缘体上硅薄膜衬底(thinfilmsilicononinsulator，TFSOI)。滤光器(例如，吸收滤光片，干涉滤光片，平通滤光器(flatpassfilter)，基于McKinlay-Diffey红斑作用光谱的滤光器(McKinlay-DiffeyErythemaActionSpectrum-basedfilter))放置于光电探测器上。滤光器设置为从光传感器接收的光中滤除红外光和可见光从而至少基本上阻止红外光和可见光到达光电探测器。SOI衬底的厚度是可定制的，以改变接收到的UV/可见光波长的比例。
“发明内容”部分以简要的形式有选择性地介绍了在“详细描述”中将进一步阐述的一些概念。本发明内容部分不是为了定义所要求保护主题的关键特征或本质特征，也不是为了作为确定所要求保护主题范围的补充。
附图说明
“详细描述”部分参照附图进行描述。说明书和附图中不同的实例中使用相同附图标记用来表示相似或相同部件。
图1是根据本发明的一个实施例的紫外(UV)传感器的概略性截面图。
图2是根据本发明的一个实施例的用于UV传感器的滤光器在多个波长范围内的传输响应图。
图3是根据本发明的一个实施例的用于UV传感器的多个基于McKinlay-Diffey红斑作用光谱的滤光器在多个波长范围内传输响应的线性刻度图。
图4是根据本发明的一个实施例的用于UV传感器的多个基于McKinlay-Diffey红斑作用光谱的滤光器在多个波长范围内传输响应的对数刻度图。
图5是在一个制造根据本发明的光传感器的示例实施方式中说明示例方法的流程图，所述光传感器具有位于具有SOI衬底的光探测器上的滤光器。
详细描述
概述
为了滤光，光传感器可采用阻挡滤光器以降低特定波长或一系列波长的传输，而使剩余波长通过而到达光传感器的光电探测器。紫外(UV)传感器设定为探测位于约280nm至约400nm紫外波谱范围内的光。UV传感器的衬底有助于成本、量子效率(QE)，以及从光电探测器滤除的不需要波长的量。
光传感器被描述为包括在光电探测器上放置的滤除可见光波长和红外波长而允许感应紫外(UV)波长的滤光器。在一个或多个实施方式中，光传感器包括包含衬底的半导体器件(例如，管芯)。光电探测器(例如，一个或多个光电二极管，光电晶体管等)形成在衬底内临近衬底的表面上。在一个或多个实施方式中，衬底包括绝缘体上硅衬底(SOI)，例如在绝缘体上的硅薄膜(TFSOI)衬底。SOI的厚度可以影响光电探测器探测到的可见光量。例如，与较薄的SOI层相比，较厚的SOI层通常有利于探测更宽光谱范围内的可见光。SOI的厚度也会影响光电探测器的量子效率，即SOI层越厚，量子效率越高。滤光器(例如，吸收滤光片，干涉滤光片，平通滤光器，基于McKinlay-Diffey红斑作用光谱的滤光器，UVA/UVB滤光器，等等)放置于光电探测器上以滤除由光传感器接收到的光中的红外光和可见光从而至少基本上阻止红外光和可见光到达光电探测器。在实施方式中，滤光器放置在衬底的表面上，且位于光电探测器上以滤除光传感器所接收的光中的红外光和可见光。
SOI衬底的厚度是可定制的，以改变光电探测器接收到的UV/可见光波长的比例。此外，SOI层可设置为水平接合、垂直接合、利用激光退火技术的超浅掺杂剂分布、以及利用Epi生长技术和/或刻蚀技术的超浅分布。
在下面的讨论中，首先描述了包括滤光器以允许传感器测量UV波长的光的光传感器的具体实施例。随后，讨论用于制造该实施例光传感器的示例方法。
实施例
图1是根据本发明实施例的光传感器100的示意图。如图所示，光传感器100包括具有衬底102的管芯(die)的半导体器件。衬底102提供用于通过多种制造技术例如光刻法、离子注入法、沉积法、刻蚀法等等制造的一个或多个电子器件的基材。衬底102可以包括n型硅(例如，掺杂V族元素(例如，磷、砷、锑等)的硅以提供n型电荷载流子元素给硅)或p型硅(例如，掺杂IIIA族元素(例如，硼，等等)的硅以提供p型电荷载流子元素给硅)(图1显示了p型硅层104)。衬底102进一步地可以包括一个或多个绝缘层106，例如，埋置氧化物(buriedoxide)层，以提供绝缘体上硅(SOI)衬底。
衬底102包括具有一个或多个光电探测区域110的光电探测器108。在图1所示的实施例中，光电探测区域110位于将光电探测区域110与p型硅层104分开的两个绝缘层106之间。衬底102的光电探测区域110可以以多种方式设置。例如，光电探测区域110可以包括感光二极管，光电晶体管等等。图1中所示的光电探测区域110以横向二极管布置提供，尽管如此，光电探测区域110并不限于横向排布，也可以包含其它的或可选的排布方式，包括但不限于竖直二极管布置。例如，光电探测区域110可以设置为竖直接合或水平接合。在一个实施方式中，光电探测器108能够探测光并对响应提供信号。光电探测区域110可基于被探测光的强度通过将光转换为电流或电压而提供信号。由此，一旦光电探测区域暴露于光中，大量自由电子就可以生成以产生电流。光电探测器108设置为探测紫外光谱范围内的光。在这里，术语“光”理解为包含发生在紫外光谱范围的电磁辐射。紫外光谱(紫外光)包含从发生在大约100nm至大约400nm波长范围的电磁辐射。紫外光包括在UVA光谱，UVB光谱和UVC光谱范围的光。UVA光谱(UVA光)包括发生在大约400nm至大约315nm波长范围的电磁辐射。UVB光谱(UVB光)包括发生在大约315nm至大约280nm波长范围的电磁辐射。UVC光谱(UVC光)包括发生在大约280nm至大约100nm波长范围的电磁辐射。在实施例中，光电探测区域11O设置为接收和探测紫外光谱的光，与IR光谱、绿光谱、蓝光谱等等相比，紫外光谱的光具有相对浅的透入深度。例如，在一个实施例中，光电探测区域110的厚度为30nm以便于捕获紫外光谱的光。由于制造技术、所使用材料的物理公差、所需要的捕获波长等等，光电探测区域110的厚度可改变(例如，可大于或小于30nm)。
光传感器100包含设置与衬底102的表面114相邻近的滤光器112(图1示出了放置在衬底102的表面114的顶部的滤光器112)。滤光器112设置为滤除光传感器100接收的光而使限定光谱范围波长的光(例如，波长位于第一波长和第二波长之间的光)通过后到达光电探测器108，例如到达至少一个光电探测区域110。在实施方式中，滤光器112包括配置为滤除光谱的一部分而允许光谱另一部分通过的介电材料。例如，在一个实施方式中，滤光器112包含氧化铪滤光器材料，例如氧化铪(IV)(例如，HfO2)，其不会显著吸收紫外光，相反其允许UV光通过而作为UV滤光器。在一个实施方式中，滤光器112包含多层结构，例如堆叠配置的多个介电层。在图2至图4中示出了示例滤光器112的传输响应示例图。图2提供了示例滤光器112的与约250nm至450nm波长相对应的最小传输响应。可见，滤光器112大体阻止波长小于约280am和大于400nm的光的传输，而提供280nm至400nm的光的基本传输。图3是示例滤光器112在约270nm至400nm波长范围内传输响应的线性刻度图(三个示例滤光器112的传输响应分别标注为112a，112b和112c)。传输响应112a与基于McKinlay-Diffey红斑作用光谱的滤光器的传输响应相对应，而传输响应112b和112c与两个偏置的McKinlay-Diffey红斑作用光谱滤光器的传输响应相对应。图4是滤光器112在约270nm至400nm波长范围内传输响应的对数刻度图(三个示例滤光器112的传输响应分别标注为112a，112b和112c)。传输响应112a与基于McKinlay-Diffey红斑作用光谱的滤光器的传输响应相对应，而传输响应112b和112c与两个偏置的McKinlay-Diffey红斑作用光谱滤光器的传输响应相对应。在实施例中，滤光器112设置为阻止可见光和红外光，而允许紫外光(例如，UVA光和UVB光)通过。滤光器112可通过沉积技术，例如磁控溅射技术或其它技术，邻近衬底102的表面114形成。在实施例中，沉积技术允许在衬底102的表面114上的滤光器的图案化沉积。
滤光器112设置为包含吸收滤光器、干涉滤光器、平通滤光器、基于McKinlay-Diffey红斑作用光谱的滤光器、UVA/UVB滤光器等等中一个或多个，且设置为阻止可见光和红外光，而允许紫外光通过并到达光电探测器108。例如，滤光器112可以以光电探测器108对UVA和UVB波长具有最大响应的方式设置。在实施例中，滤光器112可设置为阻止UVA光或UVB光以使得光电探测器108可分别地探测UVB光或UVA光而形成UVB或UVA传感器。例如，滤光器112可设置为阻止波长在400nm至315nm之间的光(UVA光谱)，而允许波长在315am至280nm之间的光(UVB光谱)通过而形成UVB传感器。在实施例中，滤光器112将UVA和UVB光中的每一种传输给光电探测器108。在实施例中，滤光器112包括第一滤光器和第二滤光器，且光电探测器108包括在衬底102内的第一光电探测器和第二光电探测器，其中第一滤光器设置为阻止可见光而传递UVA光和UVB光给第一光电探测器，其中第二滤光器设置为阻止可见光而传递UVA光给第二光电探测器，以及其中，减去了第二探测器的输出信号的第一探测器的输出信号(即第一和第二光电探测器输出之差)提供了光传感器100探测到UVB光的指示。在实施例中，滤光器112包括加权泛函性(weightingfunctionality)以匹配McKinlay-Diffey红斑作用光谱，例如为与调整人类皮肤对UV辐射敏感性的波长对应的输出提供加权因子，其中相同强度下，与较长的UV波长相比，较短的波长可以引起更大的皮肤损伤。例如，在实施例中，滤光器112定制为提供McKinlay-Diffey红斑作用响应，通过计算光电探测器108的该响应而得到McKinlay-Diffey红斑作用光谱，从而提供UV指示值。在实施例中，通过控制UVA和UVB光传递至光电探测器108的量，滤光器112设置为中间McKinlay-Diffey红斑作用光谱滤光器，例如，允许比UVB光更多的UVA光通过，以增加在光电探测器108的信号从而识别出UV指示值。滤光器112可以设置具有在400nm之前对于传输率值的陡峭截止的截止角、平缓的截止，等等。例如，在实施例中，滤光器112设置具有松弛截止角(relaxedcutoffangle)以减少超过这一角度的响应的变化。在实施例中，光传感器100包括设置为传递所有光波长至第一光电探测器108的滤光器112和包括设置为阻止至少一部分UV光传递至第二光电探测器的滤光器(未示出)(例如，滤光器112，滤光器112的不同部分，附加的滤光器，等等)。对于存在的UV光的量的信号可通过由第一光电探测器108得到的信号中减去由第二光电探测器得到的信号而获得。
在实施例中，光传感器100包括设置为滤除所有进入光电探测器108的光的滤光器(例如，滤光器112，附加的滤光器，单独滤光器，等等)。在这一配置中，通过测量当没有光到达光电探测器108时，例如通过对光的完全阻止或滤除时由光电探测器108产生的暗电流，并从当光被允许到达光电探测器108时的后继测量中减去该暗电流，可实施暗通道消除(darkchannelcancellation)技术。
衬底102的一个或多个区域可包括通过一种或多种修改技术修改的结构分布。例如，衬底102的一个或多个区域可通过激光退火工艺修改而具有超浅掺杂剂分布(ultrashallowdopantprofile)。在区域110设置为水平接合的实施例中，超浅分布可以通过外延(epitaxy，Epi)生长技术和/或刻蚀技术而形成。
在多种实施例中，光传感器100设置为蓝光传感器(例如设置为感应波长在约450nm至495nm范围的光)。例如，衬底102可设置为具有设置为阻止紫外光光进入光电探测器108的滤光器112的绝缘体上硅(SOI)衬底。光电探测器108设置为探测蓝光波谱并提供响应信号。SOI衬底的厚度可定制以滤除较大的波长，例如通过调整SOI衬底的厚度和滤光器的滤光功能，从而使得光传感器100作为蓝光传感器。
在多种实施例中，本文中描述的光传感器100可被设置为检测周围的光照环境和/或提供紫外光探测。滤光器112设置为滤除可见光和红外光，并传递限定光谱波长的光给各个光电探测器108。根据光的强度，光电探测器108产生信号(例如，电流值)。光电探测器108产生的信号可被其它电路器件和/或应用使用来控制便携式电子设备的多个方面(例如，产生UV指示值，确定白天/夜晚状态等等)。滤光器可用于获取暗电流值以提供经滤光器112滤除后的光在光电探测器108处的暗通道消除的测量。光传感器100可包括绝缘体上硅(SOI)衬底，由此光传感器100可为使用这样的传感器的电子装置提供增强的性能。
制造方法的示例
下面的讨论描述了制造包括了设置为限制可见光和红外光传输至传感器的光电探测器的紫外光滤光器的光传感器的技术示例。可以预见的是根据本公开的光传感器可采用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺技术，其它半导体芯片制造/封装技术，例如晶圆级封装(WLP)，等等来制造。
图5以一用于制造光传感器例如之前图1所描述的示例光传感器100的示例实施方式描述了方法500。在所述方法500中，一个或多个光电探测器形成在晶圆的衬底上(框502)。在图1的讨论中可注意到，所述衬底可包括n型硅(例如，掺杂V族元素的硅(例如，磷、砷、锑等)以提供n型电荷载流子元素给硅)或p型硅(例如，掺杂IIIA族元素的硅(例如，硼，等等)以提供p型电荷载流子元素给硅)(图1显示了p型硅层104)。衬底进一步地可以包括一个或多个绝缘层，例如，埋置氧化物层，以提供绝缘体上硅(SOI)衬底。因此，衬底提供用于形成光传感器的一个或多个光电探测器以及其它电子器件的基材。一个或多个光电探测器可以包括光电二极管、光电晶体管等等，其采用合适的制造技术例如光刻、离子注入、沉积、刻蚀等技术形成于圆晶的衬底内。在一个或多个实施例中，至少一个光电探测器包含设置为探测紫外光(在紫外光谱范围的光)的紫外光电探测器。
滤光器形成在衬底表面上(框504)。例如，在许多实施方式中，滤光器是通过利用光刻胶材料涂敷晶圆(在晶圆中有一个或多个紫外传感器形成)来形成的(框506)，随后将滤光器材料例如通过沉积技术(如磁控溅射等)沉积至该表面上(框508)。所述光刻胶材料(以及沉积于光刻胶材料上的任何相关的滤光器材料)通过剥离技术从衬底表面移除(框510)。所述方法500也可以包括将传感器从晶圆中单个化(singulating)(框512)并对该传感器进行封装(框514)，例如封装进紫外传感器封装件内。
衬底的厚度(例如，SOI衬底)是可定制的，以改变接收到的UV/可见光波长的比例。此外，SOI层可设置为具有水平接合、垂直接合、利用激光退火技术的超浅掺杂剂分布、以及利用Epi生长技术和/或刻蚀技术的超浅分布。
结论
尽管以特定于结构特征和/或工艺操作的语言来描述了主题，然而应当理解由所附权利要求书定义的主题并不必需限制于上述特定特征或行为。相反，上述特定特征和行为作为实现权利要求的示例性形式而公开。
Claims (21)
1.一种光传感器，包括：
具有表面的衬底；
光电探测器，形成在所述衬底上且配置为探测光并提供响应信号；和
滤光器，设置在所述衬底的所述表面上，且配置为阻止可见光并允许在至少一部分紫外光谱波长中的光通过而到达所述光电探测器。
2.根据权利要求1所述的光传感器，其中，所述衬底为绝缘体上硅衬底(SOI)。
3.根据权利要求1所述的光传感器，其中，所述滤光器包括二氧化铪。
4.根据权利要求1所述的光传感器，其中，所述滤光器配置为允许在UVA或UVB光谱波长中之一中的光通过并到达所述光电探测器。
5.根据权利要求4所述的光传感器，其中，所述滤光器配置为允许在UVA光谱波长中的光通过并到达所述光电探测器。
6.根据权利要求1所述的光传感器，其中，所述滤光器包括加权因子来提供McKinlay-Diffey红斑作用光谱作为所述光电探测器的输出。
7.根据权利要求1所述的光传感器，其中，所述滤光器配置为中间McKinlay-Diffey红斑作用光谱滤光器，其控制UVA光和UVB光中的至少之一的通过量。
8.根据权利要求1所述的光传感器，其中，所述衬底的至少一部分配置成垂直结合或水平结合中的至少之一。
9.根据权利要求1所述的光传感器，进一步包括滤光器，配置为阻碍所有的光进入光电探测器以从所述光电探测器提供暗电流值。
10.根据权利要求9所述的光传感器，进一步包括电路，配置为当至少一部分光传至光电探测器时从所述光电探测器提供的另一个信号中减去所述暗电流。
11.根据权利要求1所述的光传感器，其中，所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，其中所述滤光器包括设置在所述衬底的所述表面上且配置为阻碍可见光以及允许UVA光和UVB光传至第一光电探测器的第一滤光器，其中所述滤光器进一步包括配置在所述衬底的所述表面上且配置为阻碍可见光以及允许UVA光传至第二光电探测器的第二滤光器，以及其中从第一光电探测器的输出信号减去第二光电探测器的输出信号提供了检测到的UVB光的指示。
12.一种方法，包括：
在衬底上形成光电探测器，所述光电探测器配置为检测光并提供响应信号；
在所述衬底的表面上形成滤光器，所述滤光器配置为阻碍可见光且允许在至少一部分紫外光谱波长中的光传至所述光电探测器。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述衬底的表面上形成滤光器包括用光刻胶涂敷晶圆的一部分，所述晶圆包括衬底。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括，在所述表面上沉积滤光器材料。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括，实施剥离技术来除去光刻胶。
16.根据权利要求12所述的方法，进一步包括，从包括所述衬底的晶圆上将紫外传感器单个化。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括，封装所述紫外传感器来形成紫外传感器封装件。
18.根据权利要求12所述的方法，进一步包括，用激光退火修改所述衬底的至少一部分来提供超浅掺杂剂分布。
19.根据权利要求12所述的方法，进一步包括，用Epi生长技术修改所述衬底的至少一部分来提供超浅掺杂剂分布。
20.根据权利要求12所述的方法，进一步包括，提供电路，以从所述光电探测器提供的信号中减去暗电流值。
21.一种蓝光传感器，包括：
具有表面的绝缘体上硅(SOI)衬底；
光电探测器，形成在所述衬底上且配置为检测光并提供响应信号；以及
滤光器，设置在所述表面上且配置为阻碍紫外光以及允许在蓝光光谱波长的至少一部分的光传至所述光电探测器，其中所述光电探测器配置为探测所述蓝光光谱波长并提供响应信号。
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