CN112542483A - 显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种显示装置，包括一显示元件，其包括：一透明层；一显示器集成电路层，其包括一或多个显示器控制电路；以及一屏蔽层，其位于透明层以及显示器集成电路层之间；以及一近红外光源以及一可见光源，以及一侦测器元件，侦测器元件包括一侦测器集成电路层，其包括一或多个侦测器控制电路，其中侦测器元件的一表面接触显示元件的表面，以及一光侦测器，电耦接至至少一侦测器控制电路并且包括一侦测区域，其被定位以接收沿着一路径从显示元件的一前侧传播至显示元件的一后侧的近红外光，其中屏蔽层包括被定位于路径中的一滤光区域。本发明的显示装置配置用于同时发光并且侦测物体。

Description

显示装置
技术领域
本发明涉及一种显示装置，特别涉及一种同时发光并且侦测物体的显示装置。
背景技术
光显示器可包括感测组件，以利于光显示器的使用者在观看光显示器上的视觉内容时与光显示器互动的交互式特征(例如，触控、滑动、手势、指纹读取器等)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种显示装置，使其可以配置用于同时发光并且侦测物体。
为实现上述目的，一般而言，本说明书中所描述的主题的一个创新态样可被实施于一种显示装置中，其包括：一显示元件，其具有一前侧以及与前侧相对的一后侧，并且包括一透明层；一显示器集成电路层，包括一或多个显示器控制电路；以及一屏蔽层，其位于透明层以及显示器集成电路层之间；以及一近红外(NIR)光源，被配置以将近红外光引导至透明层，以及一可见光源，其被配置以将可见光引导至透明层。显示装置更包括一侦测器元件，其位于显示元件的后侧，并且包括一侦测器集成电路层，其包括一或多个侦测器控制电路，其中侦测器元件的一表面接触显示元件的一表面；以及一光侦测器，其电耦接至至少一侦测器控制电路并且包括一侦测区域，侦测区域被定位以接收近红外光，近红外光沿着从显示元件的前侧至显示元件的后侧的一路径传播，而且其中屏蔽层包括被定位于路径中的一滤光区域。本态样的其它实施例包括相应的系统、装置以及计算器程序，其被配置以执行在计算器储存元件上所编码的方法的动作。
这些以及其它实施例可各自选择性地包括一或多个以下特征。在一些实施例中，光侦测器包括锗(Ge)或锗硅(GeSi)材料。
在一些实施例中，近红外光源电耦接至一或多个显示器控制电路的至少一显示器控制电路，及/或电耦接至一或多个侦测器控制电路的至少一侦测器控制电路。
近红外光源可与显示元件整合为一体及/或与侦测器元件整合为一体。一或多个显示器控制电路以及一或多个侦测器控制电路可包括薄膜晶体管(thin-filmtransistor，TFT)、互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)晶体管或其等的组合。
在一些实施例中，显示元件可包括透明层下方的一液晶层。
在一些实施例中，显示装置更包括在显示元件以及侦测器元件之间的一成长(例如，单片整合)或接合(例如，机械接合)界面。
在一些实施例中，可见光源包括一可见光有机发光二极管阵列、可见光微发光二极管或其等的组合。近红外光源可包括一近红外光有机发光二极管阵列、近红外光微发光二极管或其等的组合。
一般而言，本说明书中所描述的主题的另一态样可被实施于一种显示装置中，其包括：一显示元件，具有一前侧以及与前侧相对的一后侧，显示元件更包括一透明层；一屏蔽层，设置于透明层以及显示元件的后侧之间，屏蔽层包括一滤光区域；一近红外(NIR)光源，其被配置以将近红外光引导至透明层；以及一侦测器元件，其包括一侦测器集成电路层，其包括一或多个侦测器控制电路；以及一光侦测器，其电耦接至一或多个侦测器控制电路的至少一侦测器控制电路。
这些以及其它实施例可各自选择性地包括一或多个下列特征。在一些实施例中，显示元件更包括一显示器集成电路层，其包括一或多个显示器控制电路。该近红外光源与该显示元件或该侦测器元件整合为一体。
光侦测器的一侦测区域可在一垂直方向上与滤光区域对准。在一些实施例中，显示装置更包括一可见光源，其电耦接至一或多个显示器控制电路的至少一显示器控制电路，其中可见光源被配置以将可见光引导至透明层。在一些实施例中，由近红外光源引导至透明层的近红外光在透明层内不与由可见光源引导至透明层的可见光重叠。
在一些实施例中，显示装置更包括位于显示元件下方的一背光模块，其中显示元件更包括在透明层下方的一液晶层。侦测器元件可位于显示元件以及背光模块之间。
本说明书中所描述的主题的特定实施例可被实行，以实现一或多个以下优点。本技术的一优点在于显示装置可同时发射光线并且监测来自物体(例如，使用者的手指)的反射光。侦测器可被使用来监测反射光的各种性质(例如，偏极化、强度、相位等)，然后通过诸如振幅影像侦测及/或深度影像侦测的技术，例如，利用飞行时间(time-of-flight，TOF)测量，以推断物体的性质。借由侦测更长(例如，大于1微米)的近红外(NIR)光的反射波长，所描述的技术可减少由可见光源所发出以及来自周围环境的可见光所引起的对于侦测器的干扰，借由将可见光屏蔽于集成电路层(例如，包括薄膜晶体管，亦即非晶、多晶或其它类型的硅的上的薄膜晶体管)的外以改善元件性能，并且借由侦测更长的近红外光波长以改善生物层穿透与感测。
在一些实施例中，显示装置可被配置以具有薄膜晶体管所构成的控制电路，其相对于传统CMOS元件具有较低的工艺温度，更容易实现较低的热预算(例如，保持低于锗侦测器的热预算)。
本发明的另一目的在于提供一种用于侦测物体与显示装置的表面的接近程度的程序，其包括：提供前述任一实施例的显示装置；收集基线影像数据；收集反射的影像数据；以及使用基线影像数据以及反射的影像数据决定物体的校准影像。
在一些实施例中，程序更包括在收集基线影像数据之前，确定在显示装置表面的临界距离内没有物体。
在一些实施例中，程序更包括从近红外光源发射近红外光。
在以下附图以及说明中阐述了本说明书中所描述的主题的一或多个实施例的细节，但不作为对本发明的限定。从说明、附图和权利要求范围，本说明书的主题的其它特征、态样与优点将显得明了。
附图说明
图1A至图1E为示例的显示装置的横截面示意图；
图2A至图2E为示例的显示装置的横截面示意图；
图3为示例的侦测器元件的电路图；
图4为另一示例的侦测器元件的电路图；
图5A和图5B为示例的显示装置的示意图；以及
图6为用于发光以及侦测物体的接近程度的显示装置的示例程序。
各附图中相似的参考号码和名称表示相似的元件。
其中，附图标记：
显示装置 100,140,150,170,180,200,240,250,270,280,300,500,501
显示元件 102,202
第一表面 103
侦测器元件 104,204,300,400
第二表面 105
透明层 106
显示器集成电路层 108,208
第二电极区域 109
屏蔽层 110
第一电极区域 112
近红外光源 114,172,272,282,524
显示器控制电路 116
第一滤光区域 118
物体 121,530
侦测器 122,222,520
前表面 123
近红外光 124,125,164,264,525,528
侦测器集成电路层 126,226
基板 127,227,404
侦测器控制电路 128,228,522
互连 129,229,316
互连电路层 130
距离 132
界面 142,182,242,318
光源 154,160,254,260
可见光 156,256,503
第二滤光区域 166,266
激光控制元件 168,268
表面 231,262,526
吸收区域 302
p掺杂区域 304,428,438
第一半导体层 305
第一n掺杂区域 306
第二半导体层 307
浮动扩散电容器 308
MOSFET 310
第二n掺杂区域 312
闸极 314
光信号 320,412
吸收层 402
第一开关 408
第二开关 410
第一控制信号 422
第一读出电路 424
n掺杂区域 426,436
第二控制信号 432
第二读出电路 434
p井区 440
n井区 442,444
背光模块 502
后偏极化膜 504a
前偏极化膜 504b
玻璃基板模块 506
液晶层 508
薄膜晶体管电路层 510
彩色滤光层 512
背光源 514
导光板 516
反射层 517
侦测器模块 518
激光控制电路 527
程序 600
步骤 602,604,606,608,610,612,614
具体实施方式
概述
本发明揭露有关于显示装置的技术，此显示装置可同时发射光线及侦测对象(例如，靠近显示器的使用者手指、手或脸)的接近程度。本技术利用锗硅或锗侦测器以侦测从接近显示装置的物体所反射的近红外(NIR)光，以确定相对于显示装置的物体的振幅影像及/或深度影像。
特别地，本发明揭露的技术包括一显示元件、一侦测器元件、一红绿蓝(RGB)光源以及一近红外(NIR)光源。显示元件的下表面通过，例如，单片成长、机械接合或其它相似方法与侦测器元件的上表面接触。
近红外光源被配置以发射近红外光，其被设置以实质上垂直于显示元件的表面入射。在一些实施例中，近红外光源与显示元件或侦测器元件整合为一体。在一些实施例中，近红外光具有不小于1000纳米的峰值波长(例如，1.55微米或1.31微米或1.064微米)。在一些实施例中，近红外光具有不大于2000纳米的峰值波长。近红外光源可以是，例如，有机发光二极管(OLED)、微发光二极管(Micro-LED)、发光二极管(LED)、垂直腔面射型激光(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)、边射型激光(edge emissionlaser，EEL)(诸如分布式回授(distributed-feedback，DFB)激光或分布式布拉格反射镜(distributed-Bragg reflector，DBR)激光)以及激光二极管，并且以显示元件的每个或数个像素组成的阵列格式而设置成阵列型式。
显示元件包括：(i)透明层(例如，保护玻璃)；(ii)第一电极区域(例如，透明导电氧化层、金属层)；(iii)第二电极区域(例如，透明导电氧化层、金属层)；(iv)显示器集成电路(IC)层，包括多个显示器控制电路(例如，CMOS晶体管、TFT以及其它控制元件)；以及(v)屏蔽层，以避免可见光到达IC层(例如，避免来自环境的可见光、来自显示器的反射可见光等到达IC层)。在一些实施例中，屏蔽层可包括第一滤光区域，用于允许具有不小于1000纳米的峰值波长的近红外光通过。第一滤光区域在垂直方向与侦测器元件重叠，但不与近红外光源重叠。第一滤光区域可用来作为光干涉滤波器。屏蔽层与近红外光源可位于显示器集成电路层与透明层之间。
在一些实施例中，近红外光源位于第一电极区域以及第二电极区域之间。近红外光源经由第二电极区域而电耦接至多个显示器控制电路的至少一显示器控制电路。
红绿蓝(RGB)光源被配置以发射红绿蓝光，其具有的峰值波长不同于从近红外光源发射的近红外光的峰值波长。红绿蓝光源(例如，有机发光二极管、微发光二极管、发光二极管等)是每一或数个像素以阵列型式排列。近红外光源在垂直方向上不与红绿蓝光源重叠，其中近红外光源与红绿蓝光源的发射皆在垂直方向上为一致。在一些实施例中，屏蔽层可包括第二滤光区域，其用于允许具有不小于1000纳米的峰值波长(例如，1.064微米、1.31微米、1.55微米等)的近红外光源通过。从显示装置的横截面图观之，第一滤光区域与第二滤光区域分离。
侦测器元件包括(i)侦测器集成电路层，其包括多个侦测器控制电路(例如，CMOS晶体管、薄膜晶体管以及其它控制元件)和(ii)侦测器(例如，硅锗侦测器、硅上锗(Ge-on-Si)侦测器等)，其中侦测器直接位于第一滤光区域下方。侦测器与侦测器集成电路层的至少一侦测器控制电路电接触。
在一些实施例中，侦测器元件执行源自近红外光源的反射的近红外光的飞行时间(TOF)测量。在一些实施例中，侦测器集成电路层由承载基板支撑。侦测器由施体基板支撑。接合层存在于侦测器以及侦测器集成电路层之间，用于建立电连接。
在一些实施例中，显示装置包括液晶显示器(LCD)。显示元件可包括在第一电极区域以及第二电极区域之间的液晶层。显示装置可更包括被定位于显示元件下方的背光模块，以及包夹着液晶层的第一与第二偏极化膜。彩色滤光膜可位于第一偏极化膜与第二偏极化膜之间。侦测器元件可位于背光模块与显示元件之间。
示例的显示装置
图1A为示例的显示装置100的横截面示意图。显示装置100包括显示元件102以及侦测器元件104。显示元件102与侦测器元件104可使用，例如，晶圆/晶粒接合、芯片堆叠或其它类似方法来对准，其中显示元件102的第一表面103与侦测器元件104的第二表面105接触。
显示元件102包括透明层106、显示器集成电路层108、屏蔽层110以及第一电极区域(例如，透明导电氧化层)112。另外，显示装置100包括光源114，其中光源114与显示器集成电路层108中的至少一显示器控制电路116电接触与物理接触。
透明层106为一封装层，例如玻璃层、塑料层或复合层，其在宽带频谱(例如，可见光与近红外光波长)上具有高于至少50％的透明度。在一个示例中，对于范围从380纳米到1.55微米的宽带频谱，透明层106具有90％的穿透率。透明层106可作为保护显示元件102的其它层免于环境条件影响的物理屏障(例如，防水、UV保护、耐撞、耐刮等)。
显示器集成电路层108为非晶硅(a-Si)、多晶硅(p-Si)或其它类型的硅层，并且包括多个显示器控制电路116。显示器控制电路116可包括，例如，薄膜晶体管元件，其中多个显示器控制电路116可被制造于显示器集成电路层108的硅层内的多层结构中。薄膜晶体管元件可为，例如，交错或共平面结构，并且可使用CMOS制造技术制造。下面将更详细讨论显示器集成电路层108的制造细节。
在一些实施例中，显示元件102更包含显示器集成电路层108中的第二电极区域109(例如，第二透明导电氧化层或金属/金属制层)。第二电极区域109与光源114同时电接触与物理接触，其中近红外光源114位于第一电极区域112以及第二电极区域109之间并且与两者电接触。
在一些实施例中，显示器集成电路层108为主动式矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器屏幕的一部分，其中显示器集成电路层108包括对于AMOLED显示器屏幕上的每一像素的显示器控制电路116(例如，包含薄膜晶体管元件的电路)。
在一些实施例中，显示器集成电路层108为薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)的一部分，其中多个显示器控制电路116的每一者嵌入TFT-LCD面板内。参考图5A和图5B，以下将更详细地讨论LCD型显示装置。
屏蔽层110位于显示器集成电路层108以及第一电极区域112之间。屏蔽层110的一部分由滤光材料组成，例如，聚合物或其它吸收可见光波长的材料，以避免可见光波长到达显示元件102以及侦测器元件104的特定层，例如，显示器集成电路层108以及侦测器元件104中的层。屏蔽层110的一部分可由聚合物材料组成，诸如，有色聚乙烯或聚丙烯等。
屏蔽层110包括第一滤光区域118。在实质上垂直于显示元件102的前表面123的垂直方向上，第一滤光区域118与侦测器元件104的侦测器122重叠，但不与光源114重叠。屏蔽层110的第一滤光区域118可被配置为光滤波器，其反射一或多个频谱带或线并且允许其它的频谱带或线穿透，同时对于所有欲针对的波长保持几乎为零的吸收系数，例如，近红外光波长频谱。第一滤光区域118的光滤波器可以是，例如，干涉滤波器(例如，高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、带拒滤波器或二向色滤波器)。第一滤光区域118被配置以允许近红外光(例如，从物体121反射的近红外光125)穿透显示元件102的前表面123并且到达侦测器元件104的侦测器122。第一滤光区域118可包括，例如，具有不同折射率的不同介电材料。第一滤光区域118可以是在垂直于前表面123的方向上的屏蔽层110的区域，其范围在数微米到数百微米之间，并且其至少是允许来自光源114的反射的近红外光125到达侦测器122的临界区域。
第一电极区域112位于透明层106以及屏蔽层110之间。第一电极区域112包括一或多个透光(例如，在可见光和近红外频谱中)并且导电的材料构成的薄膜。第一电极区域112可包括透明导电氧化物材料(例如，氧化铟锡(ITO))、导电聚合物、金属或金属制栅格或网络、纳米碳管或其它类似材料。
光源114电耦接至显示器集成电路层108的多个显示器控制电路的至少一显示器控制电路116。在一些实施例中，光源114位于第一电极区域112与第二电极区域109之间，并且经由第二电极区域109电耦接至多个显示器控制电路的至少一显示器控制电路116。
尽管如图1所示的光源114的数目为一个，但光源114可为多个光源114的其中之一，多个光源114包括于光源阵列中。在一些实施例中，光源阵列由子阵列单元组成，其中每个子阵列单元包括多个光源114，例如，红绿蓝(RGB)光源(例如，红光源、蓝光源、绿光源或是可以同时发射红、绿和蓝光的光源)以及近红外(NIR)光源。红绿蓝光源被配置以发射红绿蓝光，其具有的峰值波长不同于从近红外光源发射的近红外光的峰值波长。红绿蓝光源(例如，有机发光二极管、微发光二极管、发光二极管等)是每一或数个像素以阵列型式排列。
近红外光源在垂直方向上不与红绿蓝光源重叠，其中近红外光源与红绿蓝光源的发射皆在垂直方向上保持一致。近红外光源114为一种光源，例如，有机发光二极管、微发光二极管、发光二极管、垂直腔面射型激光、边缘发射型激光(诸如分布式回授激光或分布式布拉格反射镜激光)以及激光二极管等，其发射介于约700纳米至约1.65微米之间的波长范围。
光源114可与显示元件102一同被制造，例如，在形成显示器集成电路层108的制造过程期间一同制造光源114。基于显示元件102及/或侦测器元件104配置光源114的其它方法配合参考图1B至图1E于以下讨论。
侦测器元件104包括一或多个侦测器122以及侦测器集成电路层126，其等由基板127(例如，硅基板)支撑。侦测器集成电路层126包括多个侦测器控制电路128，其中，一或多个侦测器122的每一侦测器122以及多个侦测器控制电路128中的至少一者电接触，例如，通过互连129电接触。多个侦测器控制电路128可以是，例如，互补式金属氧化物半导体(CMOS)元件、薄膜晶体管元件或其等的组合。多个侦测器控制电路128可被设置于侦测器集成电路层126内的多层(例如，两或多个互连层)阵列中。
用于特定侦测器集成电路层126的一类型的侦测器控制电路128可部分的基于侦测器集成电路层126的材料选择。在一示例中，侦测器集成电路层126的材料是结晶硅而且侦测器控制电路128为CMOS元件系的电路。在另一示例中，侦测器集成电路层126的材料是非晶硅/多晶硅/其它类型的硅，而且侦测器控制电路128为薄膜晶体管元件系的电路。包括非晶硅/多晶硅/其它类型的硅的侦测器集成电路层126将在以下配合参考图2A至图2E进一步讨论。
一或多个侦测器122的每一侦测器122电连接至至少一侦测器控制电路128，其可被配置以操作侦测器122，例如，施加偏压于侦测器122、接收电信号，电信号即测量侦测器122内吸收的光信号等。侦测器122可排列成阵列，其中，显示元件102以及侦测器元件104在各别的第一表面103与第二表面105处对准并且接合在一起时，多个侦测器的阵列中的每一侦测器122与显示元件102的第一滤光区域118对准。
侦测器122可以是，例如，锗(Ge)侦测器或硅锗(SiGe)侦测器。一般而言，侦测器122可具有0.5微米至5微米的厚度范围的侦测区域，其中侦测器122的侦测区域的厚度可部分地基于便于在侦测器122的侦测区域内吸收反射的近红外光125而被选择。侦测器122将所吸收的反射的近红外光125转换成电信号，其可由侦测器集成电路层126的一或多个电连接的侦测器控制电路128所收集。在一些实施例中，侦测器122可为光侦测器，例如，用于执行飞行时间测量的单输出光侦测器或双输出光侦测器，其将参考图3与图4而更详细讨论。
在一些实施例中，侦测器122以及侦测器集成电路层126各自制造于各自的基板上，例如，结晶硅基板。可使用例如，晶圆研磨与晶圆抛光来处理各个基板中的每一者，以移除各自基板的部分或全部。处理过的基板可接合在一起，使得反射的近红外光125通过侦测器集成电路层126进入侦测器122。可使用包括多个互连129的互连电路(IC)层130将复数基板接合在一起，其中互连电路层130的多个互连129将侦测器122电连接至侦测器控制电路128。在一些实施例中，侦测器122以及侦测器集成电路层126制造于相同的基板上，例如，结晶硅基板。
当显示元件102以及侦测器元件104对准并接合使得各自元件的第一表面103与第二表面105接触时，侦测器122的侦测区域被定位以接收反射的近红外光125，其从显示元件102的前侧传播至显示元件102的后侧，其中屏蔽层110的第一滤光区域118位于近红外光路径中。换言之，侦测器122的位置使得进入透明层106的反射的近红外光125可穿过由第一滤光区域118所定义的区域并且在侦测器122的侦测区域中被吸收。
在一些实施例中，侦测器集成电路层126位于侦测器122与显示元件102之间，使得反射的近红外光125通过侦测器集成电路层126进入侦测器122。在一些实施例中，侦测器122位于侦测器集成电路层126以及显示元件102之间，使得反射的近红外光125不通过侦测器集成电路层126而进入侦测器122。透明层106以及侦测器122之间且反射的近红外光125所经过的中间层的材料可部分地基于以减少显示装置100内的反射的近红外光125的衰减量而被选择。在一些实施例中，选择中间层的材料使得反射的近红外光125的衰减量低于临界衰减量。
在一些实施例中，可选择第一滤光区域118的一或多个尺寸，以在显示元件102以及侦测器元件104对准并且接合在一起时，使到达侦测器122的反射的近红外光125的量最大化。到达侦测器122的反射的近红外光125的量可部分地取决于侦测器122的接收角，亦即，在具有侦测器122通过第一滤光区域118的视线的透明层106的前表面123上反射的近红外光125的入射角。最小接收角范围可决定，例如，每一中间层(例如，屏蔽层110、显示器集成电路层108以及侦测器集成电路层126)的相对厚度。
在一些实施例中，反射的近红外光125由光源114发射、从物体121反射并且被侦测器122的侦测区域所吸收的近红外光。物体121可以是，例如，手指、手或脸。来自距前表面123的距离132的物体121的反射的近红外光125可部分地根据物体121的类型而被收集。例如，反射的近红外光125可收集自手指，其为相距数毫米(例如，介于1毫米与5毫米之间)的距离132的物体121。在另一示例中，反射的近红外光125可收集自手，其为相距数厘米至数十厘米(例如，介于2厘米到50厘米之间、15厘米、30厘米等)的距离132的物体121。在另一示例中，反射的近红外光125可收集自脸，其为相距数十至数百厘米(例如，介于10厘米到200厘米之间、80厘米、150厘米等)的距离132的物体121。
以下参考图6描述显示装置100的操作的更多细节。
图1A显示根据一些实施例的显示装置100。图1B至图1E显示根据其它实施例的显示装置100。
显示装置的其它实施例
尽管如图1A所示的显示元件102与侦测器元件104，其在第一表面103以及第二表面105处接合在一起，显示装置100的其它配置仍是可能的。图1B是另一示例的显示装置140的横截面示意图。图1B所示的显示装置140是单片整合结构，即显示元件102以及侦测器元件104使用单片地制造技术制造，例如，磊晶及/或侧向成长技术，其不涉及机械接合步骤以在界面142处结合显示元件102与侦测器元件104。
在一些实施例中，热预算限制可决定可用于制造显示装置140的单片整合结构的工艺。例如，侦测器122可为锗侦测器并且具有800℃的热预算，其中在锗侦测器122之后制造的显示装置140的任何结构都被限制为不得超过800℃。
在一些实施例中，可同时使用机械接合技术与单片整合技术来制造显示装置140。例如，显示元件102以及侦测器元件104可各自单片整合，并且接着在界面142处机械地接合在一起，例如，其中侦测器元件104不包括与IC层130接合在一起的两个基板，而是被单片地制造成单一元件。
在一些实施例中，侦测器集成电路层126位于侦测器122与显示元件102之间，使得反射的近红外光125通过侦测器集成电路层126进入侦测器122。在一些实施例中，侦测器122位于侦测器集成电路层126与显示元件102之间，使得反射的近红外光125不通过侦测器集成电路层126而进入侦测器122。
图1C为另一示例的显示装置150的横截面示意图。显示装置150包括整合至显示元件102中的光源154(例如，红绿蓝光源114)，其中光源154包括发射可见光156的光源阵列154。对照于图1A所示的显示装置100，图1C的显示装置150包括光源160，其与显示元件102以及侦测器元件104分离，并且被封装在显示元件102下方，与显示元件102的第一表面103接触。光源160为近红外光源，例如，封装的激光二极管、垂直腔面射型激光(VCSEL)、边缘发射激光(EEL(诸如分布式回授(DFB)激光或分布式布拉格反射镜(DBR)激光)、有机发光二极管(OLED)、微发光二极管(Micro-LED)、发光二极管(LED)等，其是分离制造、切割、接合或以其它方式附接到显示元件102的后侧而与第一表面103接触。在一示例中，光源160可以是砷化铟镓/磷化铟(InGaAs/InP)垂直腔面射型激光。
光源160被定位并且接合于显示元件102的后侧，使得光源160发射垂直于显示元件102的透明层106的前表面123的近红外光164。另外，显示元件102可包括第二滤光区域166，其包括与第一滤光区域118相同的组成。第二滤光区域166被嵌入于屏蔽层110中并且与光源160对准，使得由光源160发射的近红外光164在光源160被定位并且接合于显示元件102的后侧时，穿过第二滤光区域166。
在一些实施例中，光源160通过一或多个互连129而与IC层130电接触，其中光源160可经由IC层130被连接至一或多个激光控制元件168。多个激光控制元件168可以是，例如，薄膜晶体管元件、CMOS元件或其等的组合，并且可向光源160提供控制指令、电源等，以操作光源160。激光控制元件168可被设置于侦测器集成电路层126内的多层阵列中，其中每一激光控制元件168可与相应的光源160电接触。在一些实施例中，多个激光控制元件168可被制造于不同于基板127的基板上，并且电连接至光源160以操作光源160。
在一些实施例中，侦测器集成电路层126位于侦测器122与显示元件102之间，使得反射的近红外光125通过侦测器集成电路层126进入侦测器122。在一些实施例中，侦测器122位于侦测器集成电路层126与显示元件102之间，使得反射的近红外光125不通过侦测器集成电路层126而进入侦测器122。
尽管如图1C所示的光源160的数目为一个，但多个光源160可包括于显示装置150中，其中光源160以具有一或数个像素的间隔的阵列分布。在一些实施例中，光源160可以是扫描雷射，其中所发射的近红外光164可以一定角度范围以弧形或另一扫描模式扫描。
图1D为另一示例的显示装置170的横截面示意图。类似于图1C中所示的显示装置150，显示装置170包括侦测器元件104，其中近红外光源172(例如，图1C中所示的光源160)与红绿蓝光源154分离。显然地，图1D的显示装置170包括整合至侦测器元件104中的近红外光源172。近红外光源172可使用，例如，磊晶及/或侧向成长方法，而制造于侦测器元件104上。可替代地，近红外光源172可分别地被制造与切割，然后将其作为晶粒整合到侦测器元件104，其可通过IC层130将晶粒接合到侦测器元件104的基板127。在一些实施例中，侦测器集成电路层126位于侦测器122以及显示元件102之间，使得反射的近红外光125通过侦测器集成电路层126进入侦测器122。近红外光源172以及侦测器122分别位于IC层130的两个相对侧。在一些实施例中，侦测器122位于侦测器集成电路层126以及显示元件102之间，使得反射的近红外光125不通过侦测器集成电路层126而进入侦测器122。近红外光源172以及侦测器122位于IC层130的同一侧。近红外光源172可于第二滤光区域166正下方位置嵌入于基板127中。
在将近红外光源172整合入侦测器元件104中后，侦测器元件104以及显示元件102使用，例如，芯片/晶粒接合技术，在第一表面103以及第二表面105处接合在一起，如以上参考图1A所述。
图1E为另一示例的显示装置180的横截面示意图。图1E所示的显示装置180为上述参考图1D所示的显示装置170的一种单片整合结构。显示装置180的单片整合包括显示元件102以及侦测器元件104，其使用单片制造技术(例如，磊晶及/或侧向成长技术)制造，其不涉及机械接合步骤以于界面182处结合显示元件102以及侦测器元件104。
在一些实施例中，近红外光源172可突出至显示元件102的显示器集成电路层108(例如，非晶硅层)中，其中使用单片整合技术的显示器集成电路层108所用的非晶硅层成长，可部分地为近红外光源172上的非晶硅的侧向成长。
在一些实施例中，近红外光源172可位于显示元件的非晶硅层下方，其中近红外光源172嵌入于侦测器元件104内且位于界面182下方，使得近红外光源172不位于显示元件102内。
在一些实施例中，热预算限制可决定可用于制造显示装置180的单片整合结构的工艺。例如，侦测器122可为锗侦测器并且具有800℃的热预算，其中在锗侦测器122之后制造的显示装置140的任何结构都被限制为不得超过800℃。在另一示例中，近红外光源172可以是砷化铟镓/磷化铟(InGaAs/InP)垂直腔面射型激光，并且在侦测器元件104的IC层130上磊晶及/或侧向成长近红外光源172之后，具有不超过600℃的热预算。
在一些实施例中，可使用机械接合技术与单片整合技术来制造显示装置180。例如，显示元件102以及侦测器元件104可各自单片整合，并且接着在界面182处机械地接合在一起，例如，其中侦测器元件104不包括与IC层130接合在一起的两个基板，而是被单片地制造成单一元件。在另一示例中，侦测器元件104可包括一接合步骤，以将近红外光源172与侦测器元件104整合，例如，以将近红外光源172与IC层130接合，而且其中显示装置的其它态样(例如，侦测器集成电路层126以及显示元件102)使用单片整合技术制造。在一些实施例中，侦测器集成电路层126位于侦测器122以及显示元件102之间，使得反射的近红外光125通过侦测器集成电路层126进入侦测器122。近红外光源172以及侦测器122分别位于IC层130的两个相对侧。在一些实施例中，侦测器122位于侦测器集成电路层126以及显示元件102之间，使得反射的近红外光125不通过侦测器集成电路层126而进入侦测器122。近红外光源172以及侦测器122位于IC层130的同一侧。在一些实施例中，近红外光源172可于第二滤光区域166正下方位置嵌入于基板127中。
在一些实施例中，图1A至图1E中所示的侦测器元件102包括侦测器集成电路层126，其包括非晶硅(a-Si)、多晶硅(p-Si)或不是结晶硅的其它类型的硅，其中侦测器控制电路128是薄膜晶体管元件而非CMOS元件。图2A至图2E中描绘显示装置的这些实施例，其包括侦测器集成电路层，其包括非晶硅/多晶硅/其它类型的硅并且相应于作为薄膜晶体管元件的侦测器控制电路。
图2A为另一示例的显示装置200的横截面示意图。显示装置200包括显示元件202(例如，参考图1A所述的显示元件102)以及侦测器元件204。如上所述，侦测器元件204不同于上面参考图1所述的侦测器元件104，其中侦测器元件204的侦测器集成电路层226包括非晶硅、多晶硅或不是结晶硅的其它类型的硅，而且多个侦测器控制元件228为薄膜晶体管元件。
在一些实施例中，侦测器元件204的侦测器222由基板127(例如，结晶硅基板)支撑，且随后，侦测器集成电路层226制造于基板227的表面231上，其包括一或多个非晶硅/多晶硅/其它类型的硅层以及多个侦测器控制电路228。在一些实施例中，侦测器集成电路层226位于侦测器222以及显示元件202之间，使得反射的近红外光125通过侦测器集成电路层226进入侦测器222。在一些实施例中，侦测器222位于侦测器集成电路层226以及显示元件202之间，使得反射的近红外光125不通过侦测器集成电路层226而进入侦测器222。
如图2A中所示，侦测器元件204不包括参考图1A描述的显示装置100的相同IC层130。如此，互连229用于电连接侦测器控制电路228与各对应的侦测器222。
图2B为另一示例的显示装置240的横截面示意图。图2B所示的显示装置240是单片整合结构，即，显示元件202以及侦测器元件204使用单片地制造技术制造，例如，磊晶及/或侧向成长技术，其不涉及机械接合步骤以在界面242处结合显示元件202与侦测器元件204。侦测器集成电路层226以及显示器集成电路层208都包括非晶硅/多晶硅/其它类型的硅材料。因此，制造技术(例如，磊晶及/或侧向成长)可用于在两层之间的界面242上磊晶地整合侦测器集成电路层226以及显示器集成电路层208。
在一些实施例中，热预算限制可决定可用于制造显示装置240的单片整合结构的工艺。例如，侦测器222可为锗侦测器并且具有800℃的热预算，其中在锗侦测器222之后制造的显示装置240的任何结构都被限制为不得超过800℃。
在一些实施例中，可同时使用机械接合技术与单片整合技术来制造显示装置240。例如，显示元件202以及侦测器元件204可各自单片整合，并且接着在界面242处机械地接合在一起，其中侦测器元件204被单片地制造成单一元件。在一些实施例中，侦测器集成电路层226位于侦测器222以及显示元件202之间，使得反射的近红外光125通过侦测器集成电路层226进入侦测器222。在一些实施例中，侦测器222位于侦测器集成电路层226以及显示元件202之间，使得反射的近红外光125不通过侦测器集成电路层226而进入侦测器222。
图2C为另一示例的显示装置250的横截面示意图。显示装置250包括整合至显示元件202中的光源254(例如，红绿蓝光源214)，其中光源254包括发射可见光256的光源阵列254。对照于图2A所示的显示装置200，图2C的显示装置250包括光源260，其与显示元件202以及侦测器元件204分开制造，并且被封装在显示元件202下方，与显示元件202的表面262接触。光源260为近红外光源，例如，封装的激光二极管、垂直腔面射型激光(VCSEL)、边缘发射激光(EEL)(诸如分布式回授(DFB)激光或分布式布拉格反射镜(DBR)激光)、有机发光二极管(OLED)、微发光二极管(Micro-LED)、发光二极管(LED)等，其是分离制造、切割、接合或以其它方式附接到显示元件202的后侧而与表面262接触。在一示例中，光源260可以是砷化铟镓/磷化铟(InGaAs/InP)垂直腔面射型激光。
光源260被定位并且接合于显示元件202的后侧，使得光源260发射垂直于显示元件202的透明层206的表面223的近红外光264。另外，显示元件202可包括第二滤光区域266，其包括与第一滤光区域218相同的组成(例如，图1A所示的第一滤光区域118)。第二滤光区域266被嵌入于屏蔽层110中并且在屏蔽层110内与光源260对准，使得由光源260发射的近红外光264在光源260被定位并且接合于显示元件202的后侧时，穿过第二滤光区域266。在一些实施例中，侦测器集成电路层226位于侦测器222以及显示元件202之间，使得反射的近红外光125通过侦测器集成电路层226进入侦测器222。在一些实施例中，侦测器222位于侦测器集成电路层226以及显示元件202之间，使得反射的近红外光125不通过侦测器集成电路层226而进入侦测器222。
光源260与一或多个互连229电接触，其中光源260可经由互连229被连接至一或多个激光控制元件268。多个激光控制元件268可以是，例如，薄膜晶体管元件、CMOS元件或其等的组合，并且可向光源260提供控制指令、电源等，以操作光源260。激光控制元件268可被设置于侦测器集成电路层226内的多层阵列中，其中每一激光控制元件268可与各对应的光源260电接触。在一些实施例中，多个激光控制元件268可被制造于不同于基板227的基板上，并且电连接至光源260以操作光源260。
尽管如图2C所示的光源260的数目为一个，多个光源260可包括于显示装置250中，其中光源260以具有一或数个像素的间隔的阵列分布。在一些实施例中，光源260可以是扫描激光，其中所发射的近红外光164可以一定角度范围以弧形或另一扫描模式扫描。
图2D为另一示例的显示装置270的横截面示意图。类似于图2C中所示的显示装置250，显示装置270包括侦测器元件204，其中近红外光源272(例如，图2C中所示的光源260)与红绿蓝光源254分离。显然地，图2D的显示装置270包括整合至侦测器元件204中的近红外光源272。近红外光源272可使用，例如，磊晶及/或侧向成长方法，而制造于侦测器元件204上。如图2D所示，近红外光源272可制造嵌入于侦测器集成电路层226的非晶硅/多晶硅/其它类型的硅材料中。可替代地，近红外光源272可分别地被制造与切割，然后将其作为晶粒整合到侦测器元件204，其可通过接合晶粒到侦测器元件204的侦测器集成电路层226。
在一些实施例中，侦测器集成电路层226位于侦测器222以及显示元件202之间，使得反射的近红外光125通过侦测器集成电路层226进入侦测器222。近红外光源272以及侦测器222分别位于基板227的表面231的两个相对侧。在一些实施例中，侦测器222位于侦测器集成电路层226以及显示元件202之间，使得反射的近红外光125不通过侦测器集成电路层226而进入侦测器222。近红外光源272以及侦测器222位于基板227的表面231的同一侧。在一些实施例中，近红外光源272可于第二滤光区域266正下方位置嵌入于基板227。
在将近红外光源272整合入侦测器元件204中后，侦测器元件204以及显示元件202使用，例如，芯片/晶粒接合技术，在各对应的界面203以及205处接合在一起，如以上参考图1A所述的侦测器元件204以及显示元件202。
图2E为另一示例的显示装置280的横截面示意图。图2E所示的显示装置280为上述参考图2D所示的显示装置270的一种单片整合结构。显示装置280的单片整合包括显示元件202以及侦测器元件204，其使用单片制造技术(例如，磊晶及/或侧向成长技术)制造，其不涉及机械接合步骤以于界面242处结合显示元件202以及侦测器元件204。
在一些实施例中，近红外光源282可突出至显示元件202的显示器集成电路层208(例如，非晶硅层)中，其中使用单片整合技术的显示器集成电路层208所用的非晶硅层成长可部分地为近红外光源282上的非晶硅侧向成长。
在一些实施例中，近红外光源282可位于显示元件的非晶硅层下方，其中近红外光源282嵌入于侦测器元件204内且位于界面242下方，使得近红外光源282不位于显示元件202内。
在一些实施例中，热预算限制可决定可用于制造显示装置280的单片整合结构的工艺。例如，侦测器222可为锗侦测器并且具有800℃的热预算，其中在锗侦测器222之后制造的显示装置280的任何结构都被限制为不得超过800℃。在另一示例中，近红外光源282可以是砷化铟镓/磷化铟(InGaAs/InP)垂直腔面射型激光，并且在侦测器元件204的侦测器集成电路层226的非晶硅层上磊晶及/或侧向成长近红外光源282的后，具有不超过600℃的热预算。
在一些实施例中，可同时使用机械接合技术与单片整合技术来制造显示装置280。例如，显示元件202以及侦测器元件204可各自单片整合，并且接着在界面242处机械地接合在一起。在另一示例中，侦测器元件204可包括一接合步骤，以将近红外光源282与侦测器元件204整合，例如，以将近红外光源282与侦测器集成电路层226的一部分接合，而且其中显示装置的其它态样(例如，侦测器集成电路层226以及显示元件202)使用单片整合技术制造，例如，围绕和在近红外光源282上方的非晶硅/多晶硅/其它类型的硅的磊晶及/或侧向成长。
在一些实施例中，侦测器集成电路层226位于侦测器222以及显示元件202之间，使得反射的近红外光125通过侦测器集成电路层226进入侦测器222。近红外光源272以及侦测器222分别位于基板227的表面231的两个相对侧。在一些实施例中，侦测器222位于侦测器集成电路层226以及显示元件202之间，使得反射的近红外光125不通过侦测器集成电路层226而进入侦测器222。近红外光源272以及侦测器222位于基板227的表面231的同一侧。在一些实施例中，近红外光源272可于第二滤光区域266正下方位置嵌入于基板227中。
用于显示装置的制造技术
如图1A中所示的显示装置100的各个态样可以使用，例如，互补式金属氧化物半导体(CMOS)微制造技术，例如光刻程序、蚀刻程序、沉积程序等来制造。在一些实施例中，显示装置100的制造可包括一层或多层材料(例如，硅、硅锗或锗)的磊晶及/或侧向成长。
显示装置100中描述的各种层可使用各种真空技术，例如，化学气相沉积(chemical-vapor deposition，CVD)、金属有机化学气相沉积(metal-organic chemicalvapor deposition，MOCVD)、分子束磊晶(molecular beam epitaxy，MBE)、原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)等而成长于硅基板上。在一些实施例中，屏蔽层110为聚合物材料，其可在显示器集成电路层108上旋转涂布或溅镀。
锗侦测器122可例如使用诸如CVD、MOCVD、MBE、ALD等磊晶成长或任何合适的方法来形成嵌入于硅基板127中。替代的侦测器配置参考以下的图3与图4而更详细地描述。
互连129以及IC层130可使用，例如，包括沉积、剥离(lift-off)或蚀刻步骤的程序，制造于侦测器122上并且与各对应的侦测器控制电路128接触。沉积可使用，例如，金属蒸镀，来进行。
示例的光侦测器元件与操作
参考图1A与图2A所大致描述的侦测器122和222可以是锗或硅锗侦测器。一般而言，锗或硅锗侦测器可用于吸收近红外光子并且将光信号转换成电信号。在一些实施例中，侦测器(例如，侦测器122)可由单输出光侦测器或双输出光侦测器取代，并且当并入本文所述的显示装置中时可用于执行飞行时间(TOF)的侦测测量。
在飞行时间(TOF)侦测测量中，三维物体(例如，物体121)的深度信息可使用发送的光脉冲与侦测到的光脉冲之间的相位差来决定，例如，来自近红外光源114的近红外光脉冲。例如，二维像素阵列可用于重建三维物体的三维影像，其中每个像素可包括一或多个光侦测器(例如，侦测器122)用于推导出三维物体的深度信息。在一些实施例中，飞行时间应用使用具有近红外光波长范围内的光源。例如，发光二极管(LED)可具有850纳米、940纳米、1064纳米或1310纳米或1550纳米的波长。对于使用近红外光波长的飞行时间(TOF)应用，可采用使用锗硅或锗作为吸收材料的多闸光侦测器。
图3为示例的单输出侦测器元件300的电路图。
吸收区域302、p掺杂区域304以及第一n掺杂区域306由第一半导体层305所支撑，而且第二n掺杂区域312、闸极314以及浮动扩散电容器308由第二半导体层307所支撑。第一半导体层305以及第二半导体层307可以是半导体晶圆，诸如在标准集成电路工艺中所使用的硅晶圆。
p掺杂区域304设置于收区域302第一表面上，其背离第一半导体层305的上表面。p掺杂区域304可从吸收区域302表面排开光电子，因此可借以增加元件频宽。例如，p掺杂区域304可具有p+掺杂，其中当吸收区域302是锗并且掺杂硼时，掺杂剂浓度可高达工艺所能达到的极限，例如，大约5×1020cm-3。
n掺杂区域306设置于吸收区域302的第一表面上，其背离第一半导体层305的上表面。n掺杂区域306可通过将掺杂剂植入至吸收区域302来形成。
第一半导体层305可与第二半导体层307分开地处理。例如，第一半导体层305可使用专用于形成吸收区域302的第一工艺来处理，并且第二半导体层307可使用专用于形成闸极314的第二工艺来处理。第二工艺可以是，例如，用于形成高密度数字电路的次100纳米(sub 100nm)CMOS工艺。互连316的第一部分可在处理第一半导体层305时制造，而且互连316的第二部分可在处理第二半导体层307时制造。经处理的第一以及第二半导体层305和307可接着在接合界面318处接合，机械地耦接第一以及第二半导体层305和307，以及将吸收区域302电耦接至第二n掺杂区域312。由第一以及第二半导体层305和307的接合产生的单元可视为基板。
第一以及第二半导体层305和307的接合可光学地遮蔽面对第二半导体层307的吸收区域302的第一表面。是以，光信号320可从第一半导体层305的上表面进入吸收区域302，其中第一半导体层305的上表面与形成有吸收区302的下表面相对。
侦测器元件300的一般操作如下所述。由吸收区域302所产生的光产生的载子(诸如电子)可被p掺杂区域304排斥而朝向第一n掺杂区域306。一旦光产生的载子到达第一n掺杂区域304，额外的力可在MOSFET 310导通时施加于载子，以引起这些载子从第一n掺杂区域306流到浮动扩散电容器308。这种力可通过设计第一n掺杂区域306的掺杂浓度n1、第二n掺杂区域312的掺杂浓度n2以及浮动扩散电容器308的掺杂浓度n3来产生。一般而言，因为较低掺杂浓度区域引起的位能高于较高掺杂浓度区域引起的位能，电荷载子由低掺杂浓度区域被驱动至高掺杂浓度区域。因此，借由根据不等式n3>n2>n1设定掺杂浓度，储存于第一n掺杂区域306中的载子可被首先驱动朝向具有第二掺杂浓度n2的第二n掺杂区域312移动，第二掺杂浓度n2高于第一掺杂浓度n1。接着，当MOSFET 310导通时，第二n掺杂区域312的掺杂浓度n2以及浮动扩散电容器308的掺杂浓度n3之间的差异更驱动载子朝向浮动扩散电容器308移动。故，从吸收区302到浮动扩散电容器308的载子传输效率可获得改善。
图4为示例的双输出侦测器元件400的电路图。侦测器400是用于将光信号转换成电信号的交换式光侦测器。侦测器400包括制造在基板404上的吸收层402。基板404可以是任何可在其上制造半导体元件的合适的基板。例如，基板404可以是硅基板。吸收层402包括第一开关408以及第二开关410。
一般而言，吸收层402接收光信号412并且将光信号412转换成电信号。吸收层402可以是本质的、p型或n型。在一些实施例中，吸收层402可由p型锗硅材料所形成。在一些实施例中，吸收层402可由锗组成。吸收层402被选择以在所针对的波长范围内具有高吸收系数。对于近红外光波长，吸收层402可以是锗硅平台(mesa)，其中锗硅吸收光信号412中的光子并且产生电子电洞对。锗硅平台中的锗与硅的材料组成可针对特定的程序或应用而被选择。
在一些实施例中，吸收层402经设计而具有厚度t。例如，对于850纳米或940纳米波长，锗硅平台的厚度可约为1微米，以具有显著的量子效率。在一些实施例中，吸收层402包括锗并且被设计以吸收波长介于800纳米与2000纳米之间的光子，吸收层402的厚度t介于0.1微米与2.5微米之间。在一些实施例中，吸收层10的厚度t介于0.5微米与5微米之间，以获得更高的量子效率。在一些实施例中，吸收层402的表面经设计以具有特定形状。例如，取决于锗硅平台表面上的光信号412的空间分布，锗硅平台可以是圆形、方形或矩形。在一些实施例中，吸收层402经设计以具有用于接收光信号412的横向尺寸d。例如，锗硅平台可具有圆形或矩形形状，其中d可在1微米至50微米的范围内。
在吸收层402中制造第一开关408以及第二开关410。第一开关408耦接至第一控制信号422以及第一读出电路424。第二开关410耦接至第二控制信号432以及第二读出电路434。一般而言，第一控制信号422以及第二控制信号432控制吸收的光子所产生的电子或电洞是由第一读出电路424或是由第二读出电路434所收集。
在一些实施例中，第一开关408以及第二开关410可被制造以收集电子。在这种情况下，第一开关408包括p掺杂区域428以及n掺杂区域426。例如，p掺杂区域428可具有p+掺杂，其中活化的掺杂剂浓度可高达工艺所能达到的极限，例如，当吸收层402是锗而且掺杂硼时，峰值浓度可达约5×1020cm-3。在一些实施例中，p掺杂区域428的掺杂浓度可低于5×1020cm-3以降低制造复杂度，其代价会增加接触电阻。n掺杂区域426可具有n+掺杂，其中活化的掺杂剂浓度可高达工艺所能达到的极限，例如，当吸收层402是锗而且掺杂磷时，峰值浓度可达约1×1020cm-3。在一些实施例中，n掺杂区域426的掺杂浓度可低于1×1020cm-3以降低制造复杂度，其代价会增加接触电阻。p掺杂区域428以及n掺杂区域426之间的距离可基于制程设计规则来设计。一般而言，p掺杂区域428以及n掺杂区域426之间的距离越近，所产生的光载子的切换效率越高。然而，减少p掺杂区域428以及n掺杂区域426之间的距离可能增加与在p掺杂区域428以及n掺杂区域426之间的暗电流，其与形成在p掺杂区域428以及n掺杂区域426之间的PN接面有关。因此，距离可基于交换式光侦测器100的性能要求来设定。第二开关410包括p掺杂区域438以及n掺杂区域436。p掺杂区域438类似于p掺杂区域428，而且n掺杂区域436类似于n掺杂区域426。
在一些实施例中，p掺杂区域428耦接至第一控制信号422。例如，p掺杂区域428可被耦接至电压源，其中第一控制信号422可为来自电压源的交流电压信号。在一些实施例中，n掺杂区域426耦接至读出电路424。读出电路424可为包括重置闸极、源极随耦器以及选择闸极的三晶体管配置、可为包括四个或更多晶体管的电路或用于处理载子的任何合适的电路。在一些实施例中，读出电路424可制作于基板404上。在一些其它实施例中，读出电路424可制造于另一基板上，并且经由晶圆/晶粒接合或芯片堆叠而与侦测器400整合/共同封装。
p掺杂区域438耦接至第二控制信号432。例如，p掺杂区域438可被耦接至电压源，其中第二控制信号432可为交流电压信号，其相位与第一控制信号422的相位相反。在一些实施例中，n掺杂区域436耦接至读出电路434。读出电路434可类似于读出电路424。
第一控制信号422以及第二控制信号432系用于控制吸收的光子所产生的复数电子的收集。例如，当使用电压时，如果第一控制信号422不同于第二控制信号432，则会在p掺杂区域428以及p掺杂区域438之间产生电场，自由电子会依据电场的方向而漂移朝向p掺杂区域428或p掺杂区域438。在一些实施例中，第一控制信号422可固定在电压值Vi，而且第二控制信号432可在电压值Vi±ΔV之间变换。偏压值的大小决定了电子的漂移方向。因此，当一开关(例如，第一开关408)被「导通」(即，电子朝向p掺杂区域428漂移)时，另一开关(例如，第二开关410)被「截止」(即，电子受到p掺杂区域438阻挡)。在一些实施例中，第一控制信号422以及第二控制信号432可为彼此不同的电压。
一般而言，在平衡之前，p掺杂区域的费米能阶与n掺杂区域的费米能阶之间的差异会在这两个区域之间产生电场。在第一开关408中，电场形成在p掺杂区域428以及n掺杂区域426之间。类似地，在第二开关410中，电场形成在p掺杂区域438以及n掺杂区域436之间。当第一开关408「导通」并且第二开关410「截止」时，电子朝向p掺杂区域428漂移，并且p掺杂区域428以及n掺杂区域426之间的电场会进一步移动电子至n掺杂区域426。读出电路424接着可以处理n掺杂区域426所收集的电荷。另一方面，当第二开关410「导通」并且第一开关408「截止」时，电子朝向p掺杂区域438漂移，并且p掺杂区域438以及n掺杂区域436之间的电场更进一步移动电子至n掺杂区域436。读出电路434接着可以处理n掺杂区域436所收集的电荷。
在一些实施例中，可在开关的p掺杂区域与n掺杂区域之间施加电压以在雪崩区中操作开关以增加交换式光侦测器400的灵敏度。例如，在吸收层402包括锗硅的情况下，当p掺杂区域428以及n掺杂区域426之间的距离约为100纳米时，可施加不大于7伏特的电压以在p掺杂区域428以及n掺杂区域426之间产生雪崩增益(avalanche gain)。
在一些实施例中，基板404可被耦接至外部控制组件。例如，基板404可耦接至电接地或一预设电压，预设电压小于n掺杂区域426与n掺杂区域436的电压。在一些其它实施例中，基板404可以是浮接并且不耦接至任何外部控制元件。
侦测器400更包括p井区440以及n井区442与444。在一些实施例中，n井区442与444的掺杂浓度可在1016cm-3至1020cm-3的范围内。p井区440的掺杂浓度可在1016cm-3至1020cm-3的范围内。
在一些实施例中，吸收层402可不完全吸收光信号412中的入射光子。例如，如果锗硅平台不完全吸收近红外光信号412中的入射光子，近红外光信号412可穿透硅基板404，其中硅基板404可吸收穿透的光子并且在基板中深处产生缓慢复合的光载子。这些缓慢复合的光载子对交换式光侦测器的操作速度产生负面影响。此外，硅基板404中产生的光载子可被相邻像素收集，其可能导致像素之间所不欲见到的信号串扰。此外，硅基板404中产生的光载子可能导致基板404充电，其可能导致交换式光侦测器中的可靠性问题。
为了进一步去除缓慢复合的光载子，侦测器400可包括使n井区442以及444与p井区440短路的连接。例如，连接可通过硅化物程序或沉积的金属焊垫将n井区442以及444与p井区440连接。n井区442以及444与p井区440之间的短路允许在基板404中产生的光载子在短路节点处复合，因而改善交换式光侦测器的操作速度及/或可靠性。在一些实施例中，p井区440用于钝化及/或减小在吸收层402与基板404之间的围绕界面缺陷的电场，以减小元件暗电流。
尽管参考图3和图4描述了光侦测器的一些实施例，其它实施例也是可行的。例如，在2018年8月30日公开的美国专利申请2018/0247968A1、2018年8月16日公开的美国专利申请2018/0233521A1中描述了另外的合适实施例，其完整内容借由引用而并入本说明书。
液晶系的显示装置的示例的实施例
在一些实施例中，显示装置包括液晶显示器(LCD)。显示元件可包括在第一电极区域以及第二电极区域之间的液晶层。显示装置可更包括位于显示元件下方的背光模块，以及包夹液晶层的第一偏极化膜与第二偏极化膜。彩色滤光膜可位于第一偏极化膜与第二偏极化膜之间。侦测器元件可位于背光模块与显示元件之间。
图5A为示例的液晶系的显示装置500的示意图，其包括发射可见光503的背光模块502、后偏极化膜504a以及前偏极化膜504b、以及玻璃基板模块506。玻璃基板模块506包括液晶层508、薄膜晶体管电路层510以及彩色滤光层512。背光模块502包括背光源514，例如发光二极管或荧光灯、导光板516以及，可选择地，反射层517。
另外，显示装置500包括侦测器模块518，其包括多个侦测器520(例如，如图1A中所描述的侦测器122)以及多个侦测器控制电路522(例如，图1A的侦测器控制电路128)。侦测器模块518亦包括近红外光源524，例如近红外光激光二极管、近红外光OLED、近红外光微发光二极管等。侦测器模块518，如参考如图1A至图1E所描述的侦测器元件104，可包括侦测器集成电路层(例如，侦测器集成电路层126)，其包括多个侦测器控制电路522形成的阵列，其与多个侦测器520电接触。
在一些实施例中，如参考图1C中所描述的侦测器元件104以及如参考图2C中所描述的侦测器元件204，多个近红外光源的每一近红外光源524与至少一激光控制电路527电接触。近红外光源524为激光二极管，例如，近红外光垂直腔面射型激光，其是分离制造、切割并且接合至侦测器元件，并且通过一或多个激光控制电路527电连接至侦测器模块518。
在一些实施例中，如参考图1D中所描述的侦测器元件104以及如参考图2D中所描述的侦测器元件204，近红外光源524为激光二极管，例如，近红外光垂直腔面射型激光，其在侦测器模块518上单片地制造，并且通过一或多个激光控制电路527电连接至侦测器模块518。
在一些实施例中，如图5A中的示例的液晶系的显示装置501所示，侦测器模块518位于背光模块502以及后偏极化膜504a之间，其中来自近红外光源524的近红外光525实质上垂直于显示装置500的表面526。从物体530反射的近红外光528可被侦测器模块518中的侦测器520吸收。
在一些实施例中，如图5B所示，侦测器模块518位于背光模块502下方，其中来自近红外光源524的近红外光525实质上垂直于显示装置500的表面526。
侦测器模块518的位置以及近红外光源524的位置可部分地基于显示装置500的复合层对于近红外光波长的穿透特性来选择。另外，近红外光的特定波长范围可部分地基于穿透显示装置的波长范围的衰减因子来选择。例如，1.55微米波长可在近红外光源524处的起始点至其到达显示装置的上表面526具有25％的衰减因子。在另一示例中，750纳米至1.1微米的波长范围从近红外光源524处的起始点至其到达显示装置的上表面526具有45％的衰减因子。在一些实施例中，相较于用于显示装置500的材料中较短波长的衰减因子，较长波长可具有更小的衰减因子。
在一些实施例中，侦测器模块518可分别制造，并且在后处理步骤中被接合至显示装置500的其它结构。
在一些实施例中，如上面参考图3与图4所述，侦测器520可以是锗或硅锗侦测器，或者可以是被配置以执行飞行时间测量的单输出或双输出光侦测器。
显示装置的示例的程序
一般而言，近红外光源位于显示元件下方，例如图1A所示的显示元件102，使得由近红外光源发射的近红外光首先被显示元件的一或多层及/或部分结构偏折/散射，显示元件位于近红外光源以及目标物体之间。接着，未偏折/散射的近红外光从物体反射，并且入射在显示装置的侦测器元件上的反射的近红外光可由一或多个侦测器(例如，图1A中的侦测器122)测量，一或多个侦测器为显示装置的侦测器元件(例如，侦测器元件104)的一部分。因此，在遇到目标物体前，可执行校准程序以移除由穿过显示元件的一或多层的近红外光所产生的图案。软件影像重建可用于移除背景噪声及/或所得图案并且产生物体的校准影像。
图6为用于侦测物体(例如，手指、手或脸)与显示装置的表面的接近程度的显示装置(例如，图1A中的显示装置100)的示例程序600。
校准或背景影像可首先借由确定在显示装置表面的临界距离(例如，数毫米、数十厘米、数百厘米)内没有物体来测量(步骤602)。为了撷取校准影像，目标物体(例如，物体121)不应在显示元件表面(例如，图1A中的显示元件102的前表面123)的临界距离(例如，图1A中的距离132)内。在一些实施例中，对于手指，临界距离可以是数毫米；对于手，临界距离可以是数十厘米；对于脸，临界距离可以是数十厘米到数百厘米。距离显示元件的表面太远而无法获得最小电信号的物体为超出临界距离的物体，最小电信号在侦测器处测量可到达显示装置的侦测器(例如，侦测器122)的反射的近红外光的最小量。最小电信号可部分地取决于特定侦测器的灵敏度。例如，最小电信号可以是，例如，至少大于1微伏的电信号。在大于临界距离的距离处，物体可被忽略。
在一些实施例中，校准影像数据可在显示装置的设定过程期间(例如，在工厂设置中或在使用者初始化显示装置时)收集。例如，校准影像可在暗室或与杂散近红外光隔离的环境中测量。
从近红外光源发射近红外光(步骤604)。近红外光(例如，近红外光124、近红外光164等)从近红外光源发射。近红外光源可以是，例如，近红外光OLED、近红外光微发光二极管、近红外光激光二极管或其它近红外光源。显示装置可包括多个近红外光源的阵列，每一近红外光源发射近红外光，而且其中每一近红外光源电连接至控制元件，例如显示器控制电路116或激光控制元件168。所发射的近红外光，例如，可介于750纳米至1.65微米之间的范围内。在另一示例中，所发射的光可以是1.55微米。近红外光源可发射具有功率范围介于1毫瓦至数瓦之间的近红外光。
近红外光可由发射近红外光源以及显示元件102前表面123之间的一或多个中间层反射(例如，折射或偏折)。在一些实施例中，例如在图1A所示的显示装置100，近红外光被透明导电氧化层(例如，第一电极区域)以及透明层106反射。在一些实施例中，例如图1D所示的显示装置170中，近红外光被显示元件102的一或多层反射，例如显示器集成电路层、第一电极区域、屏蔽层或第二电极区域。
收集基线影像数据，其中基线影像数据包括来自近红外光源的所测量的反射的近红外光，其从显示装置的一或多层反射(例如，散射、偏折等)(步骤606)。基线影像数据收集于显示装置的多个侦测器的每一侦测器处。影像数据可以是从光信号产生的电信号，其中光信号是由每个侦测器吸收的反射的近红外光。
在一些实施例中，影像数据可以是在显示装置的多个侦测器/光侦测器的每一侦测器或光侦测器处进行的飞行时间测量，其中飞行时间测量对应于经由反射(例如，从显示装置层的反射)到达特定侦测器的光信号(例如，从近红外光源所发射的近红外光)的相位、时间、频率与延迟等。
多个侦测器中的每一侦测器具有相对于彼此侦测器的已知位置，例如，在显示装置的表面上的侦测器阵列中。基线影像数据可包括来自每一侦测器的相应测量(例如，电信号、飞行时间测量等)以及包括特定侦测器相对于侦测器阵列的位置的后设数据(metadata)。
一旦收集了基线影像数据，可进行显示装置的操作。近红外光从近红外光源发射(步骤608)。
收集反射的影像数据，其中反射的影像数据包括来自近红外光源的所测量的反射的近红外光，其在临界距离内从物体反射(步骤610)。如上面参考步骤604所讨论的，近红外光(例如，近红外光124、近红外光164等)是从近红外光源发射。所发射的近红外光可照射在物体上并且从物体反射，物体位于显示装置的上表面(例如，前表面123)的临界距离内。反射的近红外光(例如，反射的近红外光125)可入射在显示装置上，使得反射的近红外光的至少一部分入射到侦测器元件中的一或多个侦测器上，并且被一或多个侦测器吸收。
反射的影像数据于显示装置的多个侦测器的每一侦测器处收集。反射的影像数据可以是从光信号产生的电信号，其中光信号系由每一侦测器吸收的反射的近红外光。
在一些实施例中，反射的影像数据可以是在显示装置的多个侦测器/光侦测器的每一侦测器或光侦测器处进行的飞行时间测量，其中飞行时间测量对应于经由反射(例如，在显示装置的临界距离内的物体的反射)到达特定侦测器的光信号(例如，来自近红外光源所发射的近红外光)的相位、时间、频率与延迟等。
多个侦测器中的每一侦测器具有相对于彼此侦测器的已知位置，例如，在显示装置的表面上的侦测器阵列中。反射的影像数据可包括来自每一侦测器的相应测量(例如，电信号、飞行时间测量等)以及包括特定侦测器相对于侦测器阵列的位置的后设数据(metadata)。
使用基线影像数据以及反射的影像数据决定物体的校准影像(步骤612)。在一些实施例中，校准影像可部分地基于跨越多个侦测器的每一侦测器的反射的影像数据减去基线影像数据来产生。影像处理技术可用从侦测器阵列中的多个侦测器中的每一者处的各个测量，进而构建显示装置的临界距离内的物体的影像。
提供物体的校准影像(步骤614)。在一些实施例中，物体的校准影像被提供作为对于显示装置上运行的应用程序(例如，用于行动元件的图形使用者界面)的回授。在一些实施例中，校准影像被提供给，例如，在使用者平板计算机、行动电话、电视屏幕或LCD面板上的追踪软件，追踪软件可用于追踪动作、脸部、手势以及环境。
尽管本说明书中描述了许多实施细节，但是这些不应被解释为限制本发明专利范围，而是作为对特定实施例特定的特征的描述。在本说明书中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的次组合来实现。此外，虽然特征可以在上面被描述为在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中删除，并且所要求保护的组合可以涉及次组合或次组合变体。
再者，虽然在本文的图式中显示某些实施方式依照特定的操作顺序实施，但应可理解的是，此种顺序可能是非必要的(意即，实施方是可以不同顺序实施该等操作、结合某些操作或重叠某些操作等)，且在某些情况下，多任务和并行处理某些操作是有利的。此外，在前述实施方式中，不同的系统组件的分离不应被理解为在所有实施方式中都需要这样的分离，并且应当可理解的是，所描述的程序组件和系统可整合于单一软件产品中或封装到多个软件产品中
虽然本发明已以特定实施方式揭露如上，然本发明保护范围仍涵括其它实施方式。在一些状况下，在专利范围所述的操作可以不同次序进行且仍可实现所需结果。此外，在附加图标所绘示的程序不需要所示的特定次序或是依序的次序以实现所需结果。在一些实施方式，以多任务或是平行处理可能较佳。.
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (19)

1.一种显示装置，其特征在于，包括：
一显示元件，具有一前侧以及与该前侧相对的一后侧，该显示元件包括：
一透明层；
一显示器集成电路层，其包括一或多个显示器控制电路；及
一屏蔽层，其位于该透明层以及该显示器集成电路层之间；
一近红外光源，其被配置以将近红外光引导至该透明层，
一可见光源，其被配置以将可见光引导至该透明层；以及
一侦测器元件，其位于该显示元件的该后侧，该侦测器元件包括：
一侦测器集成电路层，其包括一或多个侦测器控制电路，其中该侦测器元件的表面接触该显示元件的表面；及
一光侦测器，其电耦接至至少一该侦测器控制电路并且包括一侦测区域，该侦测区域被定位以接收该近红外光，该近红外光沿着从该显示元件的该前侧至该显示元件的该后侧的一路径传播，其中该屏蔽层包括被定位于该路径中的一滤光区域。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该光侦测器包括锗或锗硅。
3.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该近红外光源电耦接至该一或多个显示器控制电路的至少一该显示器控制电路。
4.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该近红外光源电耦接至该一或多个侦测器控制电路的至少一该侦测器控制电路。
5.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该一或多个显示器控制电路包括薄膜晶体管、互补式金属氧化物半导体晶体管或其组合。
6.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该一或多个侦测器控制电路包括薄膜晶体管、互补式金属氧化物半导体晶体管或其组合。
7.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该可见光源包括一可见光有机发光二极管阵列、可见光微发光二极管或其组合。
8.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该近红外光源包括一近红外光有机发光二极管阵列、近红外光微发光二极管或其组合。
9.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该近红外光源与该显示元件整合为一体。
10.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该近红外光源与该侦测器元件整合为一体。
11.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，更包括在该显示元件以及该侦测器元件之间的一成长或接合界面。
12.一种显示装置，其特征在于，包括：
一显示元件，其具有一前侧以及与该前侧相对的一后侧，该显示元件包括：
一透明层：及
一屏蔽层，其设置于该透明层以及该显示元件的该后侧之间，该屏蔽层包括一滤光区域；一近红外光源，其被配置以将近红外光引导至该透明层；以及
一侦测器元件，包括：
一侦测器集成电路层，其包括一或多个侦测器控制电路；及
一光侦测器，其电耦接至该一或多个侦测器控制电路的至少一该侦测器控制电路。
13.根据权利要求12所述的显示装置，其特征在于，该显示元件更包括一显示器集成电路层，其包括一或多个显示器控制电路。
14.根据权利要求12所述的显示装置，其特征在于，该光侦测器的一侦测区域在一垂直方向上与该滤光区域对准。
15.根据权利要求12所述的显示装置，其特征在于，该近红外光源与该显示元件或该侦测器元件整合为一体。
16.根据权利要求13所述的显示装置，其特征在于，该显示装置更包括一可见光源，其电耦接至该一或多个显示器控制电路的至少一该显示器控制电路，其中该可见光源被配置以将可见光引导至该透明层。
17.根据权利要求16所述的显示装置，其特征在于，由该近红外光源引导至该透明层的该近红外光在该透明层内不与由该可见光源引导至该透明层的该可见光重叠。
18.根据权利要求12所述的显示装置，其特征在于，更包括在该显示元件下方的一背光模块，其中该显示元件更包括在该透明层下方的一液晶层。
19.根据权利要求18所述的显示装置，其特征在于，该侦测器元件设置于该显示元件以及该背光模块之间。
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