DE102011113553A1

DE102011113553A1 - Doppelschicht-Fotodioden in Umgebungslichtsensoren und Näherungsdetektoren

Info

Publication number: DE102011113553A1
Application number: DE102011113553A
Authority: DE
Inventors: David Skurnik
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2010-09-23
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: US8269172B2; CN102446911A; US20120074322A1; CN102446911B; DE102011113553B4

Abstract

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zur Erkennung sowohl von Umgebungslicht als auch von Annäherungen an ein Objekt vor. Diese Erkennung wird mittels einer doppelschichtigen Fotodiodenanordnung und einer entsprechenden Schaltungsanordnung derart durchgeführt, dass Umgebungslicht- und Annäherungserkennung mittels einer Vielzahl integrierter Fotodioden ermöglicht werden. In verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird Umgebungslicht unter Verwendung eines ersten Satzes von Fotodioden und eines zweiten Satzes von Fotodioden derart erfasst, dass eine Spektralantwort erzeugt wird, die annähernd gleich dem Spektrum des sichtbaren Lichts ist. Die Annäherungserkennung wird unter Verwendung einer integrierten, unter dem ersten und dem zweiten Satz von Fotodioden angeordneten Fotodiode bewirkt, die Infrarotlicht erkennt und eine Antwort darauf generiert.

Description

HINTERGRUND
A. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Erfassung des Umgebungslichts und die Erkennung von Annäherungen und insbesondere eine doppelschichtige Fotodiode für Umgebungslichtsensoren und Näherungsdetektoren mit verbesserter Umgebungslichterfassung und Infrarot-Empfindlichkeit.
B. Hintergrund der Erfindung
Dem Fachmann auf diesem Gebiet ist die Bedeutung der Umgebungslichterfassung und der Annäherungserkennung allgemein bekannt. Beide Technologien eignen sich insofern speziell für den Markt der Mobilelektronik, als effektive Umgebungslichtsensoren und Annäherungserkennung es einer mobilen Vorrichtung erlauben, den Stromverbrauch auf geeignete Weise zu regeln und die Lebensdauer des Akkus zu verlängern. In der Regel werden ein Umgebungslichtsensor und ein Näherungsdetektor auf Bändern mit unterschiedlichen Wellenlängen betrieben und unterscheiden sich innerhalb einer integrierten Sensoranordnung in ihrer Struktur voneinander.
Ein Umgebungslichtsensor ermittelt die Intensität des sichtbaren Lichts innerhalb der Umgebung um den Sensor herum. Insbesondere stellt der Umgebungslichtsensor eine Antwort auf die Menge des innerhalb einer Umgebung erkannten sichtbaren Lichts (in der Regel ein schmales Band von Wellenlängen, deren Mitte bei annähernd 550 nm liegt) bereit. Diese Sensoren werden häufig in mobilen Vorrichtungen verwendet, um die Menge des vorhandenen Lichts in der Umgebung zu erkennen, in welcher die Vorrichtung jeweils verwendet wird. Auf Grundlage dieser Erkennung kann die Helligkeit oder Intensität der Anzeigeeinrichtung an der mobilen Vorrichtung so angepasst werden, dass dem Nutzer eine optimale Intensität bereitgestellt und gleichzeitig der von der Anzeigeeinrichtung verbrauchte Strom auf geeignete Weise geregelt wird. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es ersichtlich, dass es für einen Umgebungslichtdetektor noch viele weitere Anwendungsmöglichkeiten gibt.
1A zeigt eine Kurve, die allgemein als CIE-Kurve bekannt ist. Diese Kurve stellt die relative spektrale Wahrnehmung des menschlichen Auges dar. Es ist ersichtlich, dass das menschliche Auge für Wellenlängen unter 400 nm bzw. über 700 nm nicht empfindlich ist. Es ist wünschenswert, dass der Umgebungslichtsensor eine spektrale Antwort bereitstellt, die so weit wie möglich mit dieser Kurve übereinstimmt.
1B zeigt eine Kurve, welche die spektrale Antwort einer typischen Silizium-Fotodiode nach dem Stand der Technik darstellt. Es ist ersichtlich, dass die Silizium-Fotodiode auf Wellenlängen von 300 nm bis zu über 1000 nm anspricht. Der Empfindlichkeitsgipfel liegt in dem Bereich um 800 nm. Bei dem Vergleich von 1A mit 1B wird offensichtlich, dass eine unmodifizierte Silizium-Fotodiode nicht als präziser Umgebungslichtsensor verwendet werden kann, weil sie gegenüber Lichtwellenlängen außerhalb des Bereichs des menschlichen Sehvermögens empfindlich ist. Die Nichtübereinstimmung zwischen den beiden Kurven ist in dem Infrarotbereich zwischen 700 nm und 900 nm am offensichtlichsten, weil die Silizium-Fotodiode in diesem Bereich stark anspricht, während das menschliche Auge auf Wellenlängen jenseits von 700 nm überhaupt nicht anspricht. Es ist allgemein bekannt, dass annähernd alle natürlichen und künstlichen Lichtquellen unterschiedliche Mengen an Infrarotstrahlung in dem Bereich zwischen 700 nm und 1000 nm enthalten. Insbesondere enthalten des Licht von Glühlampen und auch das Licht der Sonne beträchtliche Mengen an Infrarotstrahlung. Obwohl der Mensch diese Strahlung in Form von Wärme spürt, kann er sie nicht sehen. Um die allgemein gebräuchliche Silizium-Fotodiode als präzisen Umgebungslichtsensor zu verwenden, muss ihre Empfindlichkeit folglich so modifiziert werden, dass sie stärker mit der Wahrnehmung des menschlichen Auges übereinstimmt.
Das gebräuchlichste und wirtschaftlichste Verfahren, das zum Modifizieren des spektralen Antwort einer Silizium-Fotodiode eingesetzt wird, besteht darin, Farbfilter auf der Oberfläche der Fotodiode anzubringen. 1C zeigt die spektrale Antwort eines typischen Rot-Filters 102 und eines typischen Grün-Filters 103 sowie die kombinierte Antwort bei auf dem Rot-Filter angebrachtem Grün-Filter 104. Eine weitere Verfeinerung dieser Vorgehensweise besteht darin, die das Umgebungslicht erfassenden Fotodioden in zwei gleiche, aber voneinander getrennte Teile zu unterteilen. Das Grün-Filter wird auf einem Teil angebracht, und die Kombination aus Grün-Filter und Rot-Filter wird auf dem anderen Teil angebracht. Die jeweiligen Signale von diesen beiden Fotodioden können skaliert und dann elektronisch voneinander subtrahiert werden, um die in 1D gezeigte Kurve zu ergeben, die als Bezugnahme auch ein Exemplar der CIE-Kurve umfasst. Es ist ersichtlich, dass die Antwort des elektronisch verarbeiteten Signals G – (G + R) 108 eine weitgehende Approximation der gewünschten CIE-Kurve 107 darstellt.
Ein optischer Näherungsdetektor ermittelt die Anwesenheit oder Abwesenheit eines reflektierenden Ziels innerhalb einer bestimmten Reichweite des Sensors. Bei dem beabsichtigten Ziel kann es sich um ein beliebiges Objekt handeln, welches das Licht reflektiert. Diese Näherungsdetektoren arbeiten, indem sie entweder ein gepulstes Licht oder ein Dauerlicht aussenden und dann das von dem Ziel reflektierte Licht erfassen. Neben anderen Anwendungsmöglichkeiten werden Näherungsdetektoren innerhalb von Mobiltelefonvorrichtungen zur Erkennung verwendet, ob ein Telefon in die Nähe eines Ohrs oder Gesichts gehalten wird. Während dieses Zeitraums, in dem ein Nutzer telefoniert, kann der dem Bildschirm der Vorrichtung und/oder anderen Anwendungen zugeführte Strom verringert werden, um Akkustrom zu sparen. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es ersichtlich, dass es für einen Näherungsdetektor noch viele weitere Anwendungsmöglichkeiten gibt.
Näherungsdetektoren arbeiten in der Regel mit Infrarotlicht aussendenden Lichtquellen als Lichtemitter. Für diese Wahl gibt es mehrere Gründe, darunter auch die fast unbegrenzte Verfügbarkeit von LED-Hochleistungslichtquellen mit Infrarot-Wellenlängen im Bereich von 850 nm und 940 nm, die hohe Empfindlichkeit von Silizium-Fotodetektoren in diesem Wellenlängenbereich und der Wunsch nach einer unsichtbaren und daher für den Nutzer nicht wahrnehmbare Annäherungserkennungsfunktion.
Die Reflexivität des Ziels kann aufgrund der unbekannten Kennzeichen des Ziels äußerst variabel sein. Um zum Beispiel die Annäherung eines Mobiltelefons an das Gesicht des Nutzers zu erkennen, muss der Näherungsdetektor in der Lage sein, bei Reflexionen von dunklem Haar, hellem Haar, dunkler Kleidung, wie beispielsweise Hüten oder Schals, und auch nackter Haut, mit oder ohne Gesichtsbehaarung, korrekt zu arbeiten. Diese großen Schwankungen in der Reflexivität erfordern einen sehr empfindlichen Sensor.
1E veranschaulicht eine Anordnung von Fotodioden 100, die sowohl eine Umgebungslichterfassung als auch eine Annäherungserkennung bereitstellen, wie dies nach dem Stand der Technik häufig anzutreffen ist. Die Anordnung umfasst ein p-Substrat 105, auf dem n-Wanne-Fotodioden ausgeführt sind. Um die Antwort der Fotodioden wie zuvor beschrieben auszuformen, ist jede der Fotodioden mit einer oder mehreren Farbfilterschichten überzogen. Ein Grün-Filter 120 wird auf jeder der n-Wanne-Fotodioden angeordnet, und ein Rot-Filter 110 (zusätzlich zu dem Grün-Filter) wird nur auf bestimmten Fotodioden angeordnet. In der Regel ist die Anzahl von Fotodioden, die beide Schichten erhalten, gleich der Anzahl, die nur die grüne Schicht erhalten. Ein erster Satz dieser Fotodioden arbeitet als n-Wanne-Fotodioden für Grün und Rot 130, und eine zweite Gruppe dieser Fotodioden arbeitet als n-Wanne-Fotodioden für Grün 140.
Die in 1E gezeigte Anordnung führt Umgebungslichterfassung und Annäherungserkennung durch. Die Funktion zur Umgebungslichterfassung erzeugt eine mit der CIE-Kurve von 1A übereinstimmende Spektralkurve. Wie zuvor beschrieben, besteht eines der wichtigen Kennzeichen der Funktion zur Umgebungslichterfassung in der Fähigkeit, die ansonsten starke Empfindlichkeit gegenüber Infrarotlicht zu unterdrücken. Diese Funktion wird durch Ausführen der zuvor beschriebenen mathematischen Operation G – (G + R) erfüllt. Für die Funktion zur Annäherungserkennung liegt jedoch eine stark davon abweichende Anforderung vor. Sie muss eine hohe Infrarot-Empfindlichkeit aufweisen, um die Anwesenheit bzw. Abwesenheit von Licht auf den Wellenlängen 850 nm bzw. 940 nm zu erkennen. Mit diesen beiden Funktionen werden dem Fotosensor hinsichtlich der Erkennung von Infrarotlicht entgegengesetzte Lasten auferlegt – eine Funktion erfordert die Infrarot-Unterdrückung, während die andere Funktion die Erweiterung des Infrarotempfangs erfordert. Es ist schwierig, diese beiden widerstreitenden Forderungen in einem einzigen Sensor zu erfüllen, und in der Praxis wird in der Regel mit einem Kompromiss gearbeitet.
2 veranschaulicht beispielhafte Antworten aus dem Bereich der Antwort auf grüne Pixel und der Antwort auf rote Pixel in Systemen nach dem Stand der Technik. Es wird eine erste Kurvendarstellung 210 vorgesehen, welche die Antwort des Sensors auf ausschließlich Grün zeigt. Eine zweite Kurvendarstellung 220, welche die Antwort auf ausschließlich Rot zeigt, eine dritte Kurvendarstellung 230, welche die Antwort auf Grün + Rot zeigt, und eine vierte Kurvendarstellung 240, welche die Antwort auf Grün – K*(Grün + Rot) zeigt, wobei K eine Proportionalitätskonstante darstellt, wird ebenfalls vorgesehen. In der Kurvendarstellung 250 wird auch die ungefilterte Antwort der Fotodiode vorgesehen.
3 zeigt die Kurvendarsteilung 310, die Antwort auf Grün – K*(Grün + Rot) (welche der Kurvendarstellung 240 entspricht), zusammen mit der Kurvendarstellung 320, wobei es sich um die zuvor erörterte CIE-Kurve handelt. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es ersichtlich, dass die aus der Verarbeitung der gefilterten Signale der Fotodiode erhaltene Kurvendarstellung 310 eine angemessen präzise Darstellung der CIE-Kurve 320 ist.
Die Kurvendarstellung 310 wurde durch Ausführen des mathematischen Algorithmus Grün – K*(Grün + Rot) erhalten. Eine eingehende Betrachtung der Kurvendarstellung für Grün 210 und der Kurvendarstellung für K*(Grün + Rot) 230 lässt erkennen, dass die beiden Kurvendarstellungen in dem Infrarotbereich zwischen 700 nm und 1000 nm sehr gut übereinstimmen. Aus diesem Grund weist das Ergebnis der Subtraktion aus diesen beiden Signalen, wie mittels der Kurvendarstellung 310 beispielhaft dargestellt, bei den Infrarot-Wellenlängen von Interesse eine schwache resultierende Antwort auf. Es ist leicht erkennbar, dass die Genauigkeit dieser Subtraktion sehr stark davon abhängt, dass die korrekte Verstärkungskonstante K erhalten wird, und auch davon, dass die Subtraktion präzise durchgeführt wird. Geringe Fehler entweder bei dem Wert für K oder in der Subtraktionsoperation führen zu erheblichen Fehlern in der Infrarotantwort des Umgebungslichtsensors. Diese Fehleranfälligkeit ergibt sich in hohem Maße aus der Tatsache, dass die beiden Signale, die voneinander subtrahiert werden, jeweils eine hohe Infrarot-Empfindlichkeit aufweisen. Die Subtraktion zweier großer Zahlen zum Erhalten einer kleinen Resultierenden ist sehr fehleranfällig.
Die gleiche Anordnung von Fotodioden, wie in 1E gezeigt, wird auch für die Annäherungserkennungsfunktionen in Systemen nach dem Stand der Technik verwendet. Aus der Betrachtung von 2 wird offensichtlich, dass das Signal der Kurvendarstellung 230, das Signal Für Grün + Rot, für die Annäherungserkennungsfunktion verwendet werden kann. Dieses Signal weist bei den gewünschten Wellenlängen von 850 nm und 940 nm einen breiten Empfindlichkeitsgipfel auf und zeigt bei den sichtbaren Wellenlängen eine sehr geringe Empfindlichkeit. Die geringe Empfindlichkeit bei den sichtbaren Wellenlängen ist für einen Näherungsdetektor vorteilhaft, um fälschliche Auslösevorgänge durch sichtbares Umgebungslicht zu verringern. Leider ist die für die Annäherungserkennungsfunktion so vorteilhafte deutliche Antwort gleichzeitig bei den Infrarot-Wellenlängen für den Umgebungslichtsensor nachteilig.
Es wird ein integrierter Lichtsensor und Näherungsdetektor benötigt, bei dem der Umgebungslichtsensor eine verbesserte Empfindlichkeit für sichtbare Wellenlängen und eine verringerte Empfindlichkeit für Infrarot-Wellenlängen und der Näherungsdetektor eine verbesserte Empfindlichkeit für Infrarot-Wellenlängen und eine verringerte Empfindlichkeit für sichtbare Wellenlängen aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zur Erkennung sowohl von Umgehungslicht als auch von Annäherungen an ein Objekt vor. Diese Erkennung wird mittels einer doppelschichtigen Fotodiodenanordnung und einer entsprechenden Schaltungsanordnung derart durchgeführt, dass Umgebungslicht unter Verwendung von Signalen aus einem ersten Satz von Fotodioden und einem zweiten Satz von Fotodioden abgeleitet wird. Insbesondere wird Umgebungslicht erfasst, indem eine mathematische Operation an den Signalen aus den beiden Sätzen von Fotodioden derart durchgeführt wird, dass eine spektrale Antwort generiert wird, welche die CIE-Kurve (Spektrum des sichtbaren Lichts) weitgehend approximiert. Die Annäherungserkennung wird mittels Messung der Menge von erkanntem Infrarotlicht an einer dritten Fotodiode durchgeführt, die sich an einer Sperrschicht unterhalb des ersten und des zweiten Satzes von Fotodioden befindet.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen verschiedene Vorteile gegenüber dem Stand der Technik vor, einschließlich, aber nicht beschränkt auf eine verbesserte Leistungsfähigkeit des Umgebungslichtsensors aufgrund der Verringerung der Erkennung von Gleichtakt-Infrarotsignalen. Diese Verringerung der Erkennung von Gleichtakt-Infrarotsignalen ist ein Ergebnis der dritten Fotodiode, welche unerwünschte Fotoströme (aus der Infrarotstrahlung) minimiert, die zur oberen Fotodiode wandern, Wenn zum Beispiel die Fotodiodenanordnung der vorliegenden Erfindung eine Erfassung des Umgebungslichts durchführt, ist die untere, dritte n-Epi-Schicht-Fotodiode zwischen der Stromversorgung und Erde in Sperrrichtung vorgespannt, und der in der unteren Fotodiode gesammelte Fotostrom wird dann in die Stromversorgung und nicht in die Mess-Schaltkreise hinein abgeleitet. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es ersichtlich, dass die Sperrschicht der unteren Fotodiode bei einer Tiefe platziert werden kann, die für die Sammlung von Infrarotstrahlung wie zuvor beschrieben bevorzugt wird.
Obwohl das Subtraktionsschema unter Verwendung der G – (G + R)-Operation bei der Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber Infrarotstrahlung wirkungsvoll ist, bewirkt die Anwesenheit der unteren Fotodiode, dass ein wesentlich größerer Betrag des Gleichtakt-Infrarotsignals, welches sonst subtrahiert werden müsste, entfernt wird. Durch Verringern des Betrags des Gleichtakt-Infrarotsignals werden die Anforderungen an die Präzision der Subtraktionsoperation gelockert. Dies verbessert die Ausbeute, erhöht den Signal-/Rauschabstand und verringert die Empfindlichkeit gegenüber Prozessschwankungen und anderen Unregelmäßigkeiten.
Die Leistungsfähigkeit der Näherungsdetektorfunktion ist verbessert, weil sich die untere Fotodiode bei einer für die Erkennung von Infrarotstrahlung bevorzugten Tiefe der Sperrschicht befindet. Dahingegen lagen die Fotodioden zur Infrarot-Erkennung nach dem Stand der Technik zwingend bei der gleichen Tiefe der Sperrschicht wie die Fotodioden für die Umgebungslichterfassung. In erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen kann die Tiefe der Sperrschicht der Fotodioden zur Infrarot-Erfassung unabhängig von den Fotodioden zur Umgebungslichterfassung gewählt werden. Ein weiterer Vorteil wird dadurch bewirkt, dass zwei unabhängige Lichterfassungsstrukturen übereinander gestapelt angeordnet sind und den gleichen Raum einnehmen und somit wertvollen Platz auf dem Chip sparen.
Die Fotodiodenanordnung nutzt pixelierte Fotodioden, die das mittels der Dioden erkannte Wellenlängenband wirkungsvoll ausformen. In bestimmten Ausführungsbeispielen ist der erste Satz von Fotodioden unterhalb von Grün-Filtern und der zweite Satz von Photodioden unterhalb von Grün- und Rot-Filtern angeordnet. Die Fotodioden sind über einer n-Epitaxie-Schicht angeordnet, die sich über einem p-Substrat befindet. Die Sperrschicht zwischen der n-Epitaxie-Schicht und dem p-Substrat definiert die Sperrschichtdiode zur Infrarot-Erkennung.
Bestimmte Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wurden in diesem Zusammenfassungsabschnitt allgemein beschrieben; jedoch werden in diesem Dokument zusätzliche Merkmale, Vorteile und Ausführungsbeispiele vorgestellt oder sind für einen Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet unter Berücksichtigung der zugehörigen Zeichnungen, der Beschreibung und der Ansprüche offensichtlich. Demgemäß versteht es sich dass der Schutzumfang der Erfindung nicht durch die in diesem Zusammenfassungsabschnitt offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird auf erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sein können. Diese Figuren sollen veranschaulichend, nicht einschränkend sein. Obwohl die Erfindung allgemein im Kontext dieser Ausführungsbeispiele beschrieben wird, versteht es sich, dass dies den Schutzumfang der Erfindung nicht auf diese bestimmten Ausführungsbeispiele beschränken soll.
1A ist eine beispielhafte, dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannte CIE-Kurve.
1B ist eine dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannte Kurvendarstellung der Spektralantwort einer typischen Silizium-Fotodiode.
1C veranschaulicht beispielhafte Kurvendarstellungen der Spektralantwort von Grün-, Rot- und Grün + Rot-Filtern.
1D veranschaulicht ein Beispiel einer Spektralantwort unter Verwendung von Grün- und Grün + Rot-Fotodioden, das mit dem Spektrum des sichtbaren Lichts und der CIE-Kurve korreliert.
1E ist ein Beispiel einer nach dem Stand der Technik üblicherweise verwendeten pixelierten Fotodiodenanordnung.
2 ist eine allgemeine Veranschaulichung der Umgebungslichtantwort der Fotodiodenanordnung nach dem Stand der Technik.
3 ist eine allgemeine Veranschaulichung der Umgebungslichtantwort und der Infrarotantwort der Fotodiodenanordnung nach dem Stand der Technik.
4A ist eine Veranschaulichung einer doppelschichtigen Fotodiodenanordnung für die Umgebungslichterfassung und die Infrarot-Erfassung gemäß verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen.
4B ist eine den Kehrwert des Absorptionskoeffizienten für Silizium veranschaulichende Kurvendarstellung.
5 ist eine beispielhafte Kurvendarstellung, die sowohl die Antwort der Umgebungslichterfassung als auch die Antwort der Infrarot-Erfassung der doppelschichtigen Fotodiodenanordnung gemäß verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen zeigt.
6 ist eine Strukturdarstellung eines integrierten Umgebungslichtsensors und eines Näherungsdetektors gemäß verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen.
7 ist eine Veranschaulichung einer doppelschichtigen Fotodiodenanordnung und der entsprechenden Schaltungsanordnung für die Umgebungslichterfassung und die Annäherungserfassung gemäß verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen.
8 ist eine Veranschaulichung einer integrierten doppelschichtigen Fotodiodenanordnung und der entsprechenden Schaltungsanordnung für die Umgebungslichterfassung und die Annäherungserfassung gemäß verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zur Erkennung sowohl von Umgebungslicht als auch von Annäherungen an ein Objekt vor. Diese Erkennung wird mittels einer doppelschichtigen Fotodiodenanordnung und einer entsprechenden Schaltungsanordnung derart durchgeführt, dass Umgebungslicht unter Verwendung von Signalen aus einem ersten Satz von Fotodioden und einem zweiten Satz von Fotodioden abgeleitet wird. Insbesondere wird Umgebungslicht erfasst, indem eine mathematische Operation an den Signalen aus den beiden Sätzen von Fotodioden derart durchgeführt wird, dass eine spektrale Antwort generiert wird, welche die CIE-Kurve (Spektrum des sichtbaren Lichts) weitgehend approximiert. Die Annäherungserkennung wird mittels Messung der Menge von erkanntem Infrarotlicht an einer dritten Fotodiode durchgeführt, die sich an einer Sperrschicht unterhalb des ersten und des zweiten Satzes von Fotodioden befindet.
In der folgenden Beschreibung sind zum Zwecke der Erläuterung spezifische Details dargelegt, um ein Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, dass die Erfindung auch ohne ausgewählte Elemente dieser Details praktisch ausgeführt werden kann. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es offensichtlich, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, von denen nachfolgend einige beschrieben sind, vorteilhafterweise in eine Reihe verschiedener Vorrichtungen und Systeme eingebaut werden können. In dem Blockdiagramm gezeigte Strukturen und Vorrichtungen dienen zur Veranschaulichung beispielhafter erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele und wurden aufgenommen, um zu verhindern, dass die Erfindung unverständlich wird. Außerdem sollen Verbindungen zwischen Komponenten innerhalb der Figuren nicht auf direkte Verbindungen beschränkt sein. Vielmehr können derartige Verbindungen mittels dazwischengeschalteter Komponenten modifiziert, rekonfiguriert oder anderweitig geändert werden.
Die Bezugnahme auf „ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel” in diesem Dokument bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur, ein bestimmtes Kennzeichen oder eine bestimmte Funktion, das bzw. die in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, in wenigstens einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel umfasst ist. Die Verwendung der Formulierung „in einem Ausführungsbeispiel” an verschiedenen Stellen der Beschreibung ist nicht zwangsläufig eine Bezugnahme auf ein einzelnes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.
4A veranschaulicht eine doppelschichtige Fotodiodenanordnung gemäß verschiedener erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele. Die Fotodiodenanordnung umfasst eine Vielzahl von innerhalb und/oder über einer n-Epitaxie-Schicht 420 angeordneten pixelierten p-Wanne-Fotodioden 410, 415. Die Pixelierung auf den Fotodioden 410, 415 wird erreicht, indem ein erstes Farbfilter über jeder der Fotodioden 410 angeordnet und ein zweites Filter über einer Untermenge der Fotodioden oben auf dem ersten Farbfilter angeordnet wird. Das Ergebnis dieser Pixelierung ist, dass ein erster Satz von Fotodioden 415 mit lediglich dem ersten Farbfilter eine Antwort auf ein erstes Wellenlängenband aufweist, und ein zweiter Satz von Fotodioden 410 mit sowohl dem ersten als auch dem zweiten Farbfilter eine Antwort auf ein zweites Wellenlängenband aufweist. In bestimmen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem ersten Farbfilter um ein Grün-Filter und bei dem zweiten Farbfilter um ein Rot-Filter.
Die n-Epitaxie-Schicht 420 wird derart über einem p-Substrat ausgebildet, dass eine Sperrschicht 435 zwischen den beiden Schichten als Diode zur Infrarot-Erfassung für die Annäherungserkennung fungiert. Diese Sperrschicht 435 verbessert die Empfindlichkeit der Funktionalität der Vorrichtung zur Infrarot-Erfassung erheblich.
Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es ersichtlich, dass die Schwankung in der Absorptionstiefe eine Funktion der Wellenlänge ist. Die Absorptionstiefe ist als die Tiefe definiert, bei der die Strahlung auf I/e bzw. 37% des Betrags gesunken ist, der die Oberfläche durchdringt. Umgekehrt entspricht sie auch der Tiefe, bei der 63% der Strahlung absorbiert und in einen Fotostrom umgewandelt wurden. Das Anordnen der Sperrschicht bei dieser Tiefe verbessert die Wahrscheinlichkeit, dass der generierte Fotostrom von der Fotodiode gesammelt und nicht aufgrund von Rekombinations- oder anderen Verlustmechanismen verloren geht. 4B zeigt den Kehrwert des Absorptionskoeffizienten für Silizium als Funktion der Wellenlänge. In einem Ausführungsbeispiel ist eine bevorzugte Tiefe der Sperrschicht zur Sammlung von Fotoelektronen für Wellenlängen in den Infrarot-Wellenlängenbereichen 850 und 940 nm größer als 10 μm.
Das tiefe Eindringen dieser längeren Wellenlängen begünstigt die Auswahl von tieferen Fotodioden-Sperrschichten für den Näherungsdetektor. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist ersichtlich, dass die doppelschichtige Fotodiodenanordnung unter Verwendung verschiedener Prozesse gefertigt werden kann, in denen eine Vielzahl von Oberflächen-Fotodioden über einer Infrarot-Erkennungsdiode innerhalb der Oberfläche angeordnet werden. In bestimmen Ausführungsbeispielen ist eine Epitaxie-Schicht vorgesehen, um wirkungsvoll eine Tiefe zwischen den Oberflächen-Fotodioden und der Infrarot-Erkennungsdiode zu erzeugen. In anderen Ausführungsbeispielen kann auch ein Doppeldiffusionsprozess implementiert werden, bei dem eine Schicht unterhalb der Oberflächen-Fotodioden angeordnet wird und eine Fotodiodenstruktur an der Sperrschicht zwischen der Schicht und dem Substrat bildet. Diese beiden Fertigungsverfahren sollen als Beispiele in Betracht gezogen werden und dem Verfahren, mit dem zwischen den Oberflächen-Fotodioden und der Infrarot-Erkennungsdiode Tiefe bereitgestellt wird, keine Beschränkung auferlegen.
Die Sperrschicht 435 zwischen der n-Epi-Schicht und dem p-Substrat führt wegen der Erweiterung der Erkennungsfähigkeit der Sperrschicht aufgrund ihrer vergrößerten Tiefe unterhalb der Halbleiteroberfläche zu einer erheblich höheren Empfindlichkeit bei der Erkennung der Infrarotsignale. Die Sperrschicht verbessert aufgrund einer Verringerung der Menge der erkannten Gleichtakt-Infrarotsignale auf der Fotodiodenanordnung auch die Umgebungslichterkennung relativ zu Systemen nach dem Stand der Technik. Diese Verringerung bei der Erkennung von Gleichtakt-Infrarotsignalen ist ein Ergebnis dessen, dass die längeren Wellenlängen tiefer in das Substrat eindringen und erkannt werden (das heißt, Elektronenlöcherpaare werden tiefer in dem Substrat der Vorrichtung erzeugt und wandern zurück zu den Fotodioden). Diese Verringerung bei der Erkennung von Gleichtakt-Infrarotsignalen führt auch zu der verbesserten Erkennung innerhalb der Vorrichtung, die durch eine Verringerung der Unterdrückung (d. h. Subtraktion) der Gleichtakt-Infrarotsignale innerhalb der mathematischen Ableitung der Antwort bewirkt wird.
Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es ersichtlich, dass die Tiefe der Sperrschicht 435 veränderlich sein kann.
Ein Beispiel der mittels dieser Erfindung erzielten Verbesserung ist in 5 gezeigt. Kurve 510 zeigt die relative Spektralantwort, gemessen für die mit dem Grün-Filter abgedeckten Umgebungslicht-Erkennungspixel 415. Kurve 540 zeigt die relative Spektralantwort für die mit dem Grün + Rat-Filter abgedeckten Pixel 410. Kurve 520 zeigt die relative Spektralantwort der unteren, für den Näherungsdetektor verwendeten Fotodiode 435. Die deutliche Verbesserung bei der Infrarot-Empfindlichkeit der tieferen, für den Näherungsdetektor verwendeten Fotodioden-Sperrschicht ist offensichtlich. Die Verringerung bei dem Gleichtakt-Infrarotsignal 540 ist ebenfalls offensichtlich.
Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es ersichtlich, dass die hoch empfindliche Infrarotantwort und die verbesserte Umgebungslichtantwort auf Telefone und mobile Vorrichtungen angewendet werden kann, bei denen eine Energiespareinrichtung wichtig ist. Zusätzlich können viele dieser mobilen Vorrichtungen dunkleres Glas oder Rauchglas über der Anzeigeeinrichtung umfassen, welches das Licht innerhalb des Spektrums des sichtbaren Lichts weiter abschwächt, aber das Infrarotlicht nicht spürbar vermindert. In derartigen Szenarien wird es noch wichtiger, dass die Erkennung von Gleichtakt-Infrarotlicht auf einem Minimum gehalten wird.
6 ist eine strukturelle Darstellung einer doppelschichtigen Fotodioden-Vorrichtung für Umgebungslicht- und Annäherungserkennung gemäß verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen. In dieser Veranschaulichung wird die Struktur der Halbleitervorrichtung in einem ersten Abschnitt 610 gezeigt. Ein zweiter Bereich 620 stellt den Umgebungslichtsensor dar, und ein dritter Bereich 630 stellt einen Näherungsdetektor dar.
Erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele arbeiten mit zwei unterschiedlichen Schaltkreisverbindungen für zwei Betriebsarten, Umgebungslichterfassung und Annäherungserkennung, wie in 6 gezeigt. Der erste Abschnitt 610 zeigt das die physische Struktur von 4 darstellende Schaltbild. Die Anode der unteren n-Epi-Fotodiode 611 ist immer mit Erde verbunden, und die Kathode der unteren Fotodiode 611 ist mit der Kathode der oberen Fotodiode 612 verbunden, wobei es sich versteht, dass es sich bei der Fotodiode 612 allgemein um eine Vielzahl pixelierter Fotodioden handelt. Die Anode der Fotodiode(n) 612 ist mit p-Wanne beschriftet.
Der zweite Abschnitt 620 veranschaulicht, wie die Schaltungsanordnung die beiden Fotodiodenstrukturen für die Umgebungslichterfassung verbindet. Der Knoten, den die Kathode der unteren Fotodiode 611 und die Kathode der Fotodiode(n) 612 miteinander gemein haben, ist mittels eines Schaltkreiselements an die Stromversorgung oder eine beliebige andere niederohmige Spannungsquelle angeschlossen. Die Mess-Schaltungsanordnung ist mit der Anode der oberen Fotodiode(n) verbunden.
Der dritte Abschnitt 630 veranschaulicht, wie die Schaltungsanordnung die Fotodiodenstrukturen für die Annäherungserkennung verbindet. Die p-Wanne-Fotodiode(n) 612 ist bzw. sind selbst kurzschließend, und die Mess-Schaltkreise sind mit der Kathode der unteren n-Epi-Fotodiode 611 verbunden.
Für Fachleute auf dem Gebiet ist es ersichtlich, dass verschiedene Halbleiter-Fertigungsprozesse zum Bau der Halbleitervorrichtung eingesetzt werden können. Zum Beispiel können BiCMOS-Prozesse, in Kombination mit Schaltkreistopologie-Prozessen, eingesetzt werden, um die Struktur mit übereinander gestapelt angeordneten Fotodioden zu erstellen.
7 ist eine Veranschaulichung der Fotodiodenanordnung mit entsprechender Schaltungsanordnung gemäß verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen. In dieser Figur werden die Signale 710 von der Fotodiode dem Schaltkreis derart bereitgestellt, dass ein erstes Signal 720, das sowohl auf das Spektrum des sichtbaren Lichts als auch auf das Infraratspektrum anspricht, einem ersten Analog-Digital-Umsetzer 760 bereitgestellt wird. Ein zweites Signal 730, das nur auf das Spektrum des sichtbaren Lichts anspricht, wird einem zweiten Analog-Digital-Umsetzer 750 bereitgestellt. Ein drittes Signal 740, das sich auf die Antwort der Sperrschichtdiode 435 bezieht, wird dem Analog-Digital-Umsetzer bereitgestellt. Der mathematische Prozess zum Ableiten der Infrarotantwort wird anschließend auf der digitalen Seite durchgeführt. Ein Mikroprozessor 770 wird für die spätere Verarbeitung dieser Informationen vorgesehen.
In diesem bestimmten Ausführungsbeispiel ist ein LED-Infrarot-Emitter 760 getrennt von der Detektorvorrichtung angeordnet. In anderen Ausführungsbeispielen ist der LED-Infrarot-Emitter 760 wie in 8 gezeigt in den Detektor integriert.
Die vorangehende Beschreibung der Erfindung wurde zum Zwecke der Erläuterung und Verständlichkeit ausgeführt. Sie soll die Erfindung nicht auf die exakte offenbarte Form beschränken. Verschiedene Modifikationen können innerhalb des Schutzumfangs und der Gleichwertigkeit der angehängten Ansprüche möglich sein.

Claims

Mehrschichtige Fotodiodenanardnung, umfassend: ein Substrat; eine erste, direkt über dem Substrat angeordnete Schicht; eine erste, auf der ersten Schicht integrierte Fotodiode, wobei die erste Fotodiode eine erste Antwort auf ein erstes Wellenlängenband generiert; eine zweite, auf der ersten Schicht integrierte Fotodiode, wobei die zweite Fotodiode eine zweite Antwort auf ein zweites Wellenlängenband generiert; eine dritte, an einem Übergang bzw. einer Sperrschicht zwischen dem Substrat und der ersten Schicht angeordnete Fotodiode, wobei die dritte Fotodiode eine dritte Antwort auf ein Infrarot-Wellenlängenband generiert, ausgehend von dem eine Annäherungserkennungsmessung durchgeführt wird; und wobei mittels mathematischer Verarbeitung der ersten und der zweiten Antwort derart, dass eine mit einem Spektrum des sichtbaren Lichts verbundene Spektralantwort generiert wird, Umgebungslicht erfasst wird.
Fotodiodenanardnung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Fotodiode pixeliert sind.
Fotodiodenanardnung nach Anspruch 2, wobei ein Grün-Filter und ein Rot-Filter über der ersten Fotodiode angeordnet sind.
Fotodiodenanordnung nach Anspruch 2, wobei nur ein Grün-Filter über der zweiten Fotodiode angeordnet ist.
Fotodiodenanordnung nach Anspruch 4, wobei mittels Subtraktion der zweiten Antwort von der ersten Antwort eine Spektralantwort für Umgebungslicht generiert wird.
Fotodiodenanordnung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der ersten Schicht um eine Epitaxie-Schicht handelt.
Fotodiodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht mittels eines Doppeldiffusionsprozesses erzeugt wird.
Fotodiodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Mitte des ersten Wellenlängenbandes bei etwa 550 nm liegt.
Fotodiodenanordnung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Substrat um ein p-Substrat handelt.
Fotodiodenanordnung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Epitaxie-Schicht um eine n-Epitaxie-Schicht handelt.
Verfahren zur Erfassung von Umgebungslicht und zur Erkennung von Annäherungen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Generieren einer ersten Antwort mittels Erfassung von Licht innerhalb eines Spektrums des sichtbaren Lichts an einer ersten Fotodiode; Generieren einer zweiten Antwort mittels Erfassung von Licht innerhalb des Spektrums des sichtbaren Lichts und eines Infrarot-Spektrums an einer zweiten Fotodiode; Generieren einer dritten Antwort mittels Erfassung von Infrarotlicht an einer dritten Fotodiode, die sich bei einer Tiefe zwischen der ersten und der zweiten Fotodiode befindet; Ermitteln einer Umgebungslichtintensität mittels mathematischer Verarbeitung der ersten und der zweiten Antwort; und Messen einer Annäherungsentfernung unter Verwendung der dritten Antwort.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste und die zweite Fotodiode pixeliert sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Grün-Filter und ein Rot-Filter über der ersten Fotodiode angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei nur ein Grün-Filter über der zweiten Fotodiode angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Ermittelns einer Umgebungslichtintensität mittels Subtraktion der zweiten Antwort von der ersten Antwort generiert wird.
System zur Erfassung von Umgebungslicht und zur Erkennung von Annäherungen, wobei das System Folgendes umfasst: eine Fotodiodenanordnung, umfassend: ein Substrat; eine erste, direkt über dem Substrat angeordnete Schicht; eine erste, auf der ersten Schicht integrierte Fotodiode, wobei die erste Fotodiode eine erste Antwort auf ein erstes, mit der Umgebungslichterfassung verbundenes Wellenlängenband generiert; eine zweite, auf der ersten Schicht integrierte Fotodiode, wobei die zweite Fotodiode eine zweite Antwort auf ein zweites Wellenlängenband generiert; eine dritte, an einem Übergang bzw. einer Sperrschicht zwischen dem Substrat und der ersten Schicht angeordnete Fotodiode, wobei die Sperrschichtdiode eine dritte Antwort auf ein Infrarot-Wellenlängenband generiert; zum Empfangen der ersten, der zweiten und der dritten Antwort und zum Generieren einer Intensitätsmessung für Umgebungslicht und zum Ableiten einer Annäherungsberechnung gekoppelte Berechnungslogik; und einen Infrarot-Emitter, der ein gepulstes Infrarotsignal generiert.
System nach Anspruch 16, wobei die Fotodiodenanordnung und die Berechnungslogik innerhalb einer einzelnen Halbleitervorrichtung integriert sind.
System nach Anspruch 16, wobei die Fotodiodenanordnung, die Berechnungslogik und der Infrarot-Emitter innerhalb einer einzelnen Halbleitervorrichtung integriert sind.
System nach Anspruch 16, wobei sich das System innerhalb einer mobilen Vorrichtung befindet.
System nach 19, wobei die mobile Vorrichtung über einer Anzeigeeinrichtung angeordnetes dunkles Glas umfasst.