TW595009B - Construction method and apparatus for tunable photo diode having frequency spectrum with flat response or selected response - Google Patents

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Description

595009 A7 五、發明說明（I ) 【技術領域】 树明侧於-撕_雜麵麵響雜錢應度平坦化 或選擇響應雛之可調式光電二極體架構方法與裝置，係在適當的製 紅參數之配合下’就可以在無須外加彩色攄光片的情形之下，製作完 成具有各種彩色感光效果的感光像素。 【先前技術】 隨著資訊與科技技術的日新月異，再加上大量資料的傳遞與網路 的興起，使得影像產品大發利市；而影像感·正是取得影像的裝 置，舉凡數位相機、掃描器、pc照相機、攝影機…都可算是影像感 測器的-種見影像感測器在日常生活中所佔的重要性。而在影像 感測器的製作過程中’彩色濾光片扮演著舉足輕重的角色，透過彩色 濾光片的技術，才能做出各種色彩（通常是紅綠藍三原色）的感光像 素，以便提供後級的影像處理機制來還原出原始的彩色影像。但彩色 濾光片的存在-方面造成了感光像素整體響應度的降低，另一方面也 使得製程繁瑣而提高製作成本。 〃 i述影誠·主要可分為前級的影像_單元陣列以及 後級的訊號處理電路兩部分，其原_構圖可以闕—巾的 製程的影像感測器為例做說明··其中在影像感測單元陣列中，每個光 電-極體接上-個放大電路，利用這個放大電路來將感測所得之影像 ，號轉換成電訊號，其後再利用人眼視覺的原理，將全部的影像感測 ^ 一，成如圖中所示的紅、綠、藍彩色感光像素陣列；至於在後級的 影像還原部分，則包括有編解碼器、時脈控制單元、色彩合成與補償 電路等 <圖中可看出，感光像素正好扮演著一個光電轉換的元件， 而本發明即是針對影像感測器中的感光像素單元來進行設計。. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂--------線—拳-----—·I—|->—
n I I n n n - 595009 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（>^) 習知彩色感光像素的作法如圖二所示，是在一般標準製程之外， 另外在每個感光像素之上，加上一層具有遽光片效果的材質，分別長 成各種色衫的彩色感光像素，此種作法會使得感光像素對某個頻段的 波長有特別大的響應度，轉其餘不想要的紐之響應好以降低， 也就相當赠掉了這些頻段的入射光。以較常用到的紅、綠、藍彩色 慮光片來況’其感光單元會有如圖三所示的頻譜響應，從圖中可看 出。不過此種製作触會有町幾種缺點： ⑴成本支出的增加··製作彩色濾光片的製程，即是在原本標 準製程之下所外加的步驟，以現行常用到的製程來看，加上這三種色 彩的滤光片約需多加上6〜7道的的光罩，因此對於成本的增加，會是 一項龐大的支出； 、。⑵P·感光像素的感光效率：人射光線在經過彩色瀘光片的 過私中’會有大部分的入射光線被吸收，造成了感光像素的響應度降 低，對元件的特性會造成不良的影響；因此一般彩色濾光片都還會再 另外加道微透鏡（Micro Lens)的過程，使得入射光線造成聚焦的 效果，以增加感應電流； ⑴製程的繁項：以色彩而言，針對各種不同色彩的需求，製 程必須提供各種不同的彩色渡光片，增加製作過程的困難度；若以微 透鏡技術㈣’目域鏡林_醇半徑之下，會對某個面積範圍 之内的感測單元有較佳響應，因此若感測面積有較大的變動的話，則 微透鏡的製程又需再做更改（更改曲率半徑以造成最佳聚焦效果）， 又會造成成本的再次負擔。 、，實際上，除了上述三項缺點之外，由於感光材質對各個頻段的入 射光應並_自，因此除了必須考慮騎f本身的感光槪而對彩色 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一 --------訂-------- -線 ----------
I 595009 A7 五、發明說明（Py ) 濾、，片進仃没计之外’另一方面也必須考慮到彩色濾光片的特性（主 要疋透射率）而對後級的色彩補償電路進行設計，而造成了整體輯 上的複雜性。 由此可見’上述習用製程仍有諸多缺失，實非一完善之設計者， 而亟待加以改良。 本案發明人鑑於上述習知彩色感光像素的作法所衍生的各項缺 』乃亟思加以改良創新，並經潛心研究後，成功研發完成本件針對 感光像素的頻譜響應具有響應度平坦化或選擇響應頻段之可調式光 電二極體架構方法與裝置。 【發明目的】 以上所述，都是目前彩色影像擷取器所亟待改善的缺點，而本發 明即疋針對上述幾項缺點，而提出了下面幾種改善的方法與裝置： 7 ⑴利魏號疊加的方式，包括感光面積的差異以及感光像素 後級放大器增益的不同，來對各種不同響應度的彩色感光像素做補償 設計，利用此種方式，將可以簡化魏色_健路的設計； ⑵本發明利用製程參數上的—些特性，推導了光電二極體最 4 4又冲的方法’包括了如何在某個頻段取得最大的響應度以及峰值 波長的取得； ⑴在製程技術方面，本發明提出了利用多層PN接面的方式， 來提供可調適性彩色感光像素的設計之用。利用此種製程技術，只要 再加以適當的晶片佈局設計，就可財同—個元件上制各種不同曲 線的頻譜響應。 上述三點方法中，分別針對前面所提到的缺點進行改善而設計。 第”’占疋為了要改善各個頻段的響應度不均勻的問題，以利後級色彩 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
--------^---------------r--II
595009 A7 B7 五、發明說明 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 補償電路設計關化；f二和第三闕是為了改善腕献片所帶來 的缺點，以期能製作完成—種無須外加彩色遽光片的彩色感光像素。 【技術内容】 首先對本發明的基本原理作一說明，包括了光電二極體的模型推 導，以及光電二極體中各種物理參數對頻譜響應的影響；接著利用在 探討原理的過程中所發現的現象及原理，來對光電二極體加以設計， 以期達到在毋須外加彩色濾光片的標準製程之下，即可以達成單一元 件彩色感光像素的實現；最後藉由台灣積體電路公司（TSMC)所下 線製作的數種晶片，來作為實施例的說明。 一、本發明之基本原理介紹： 在說明本專利之設計方法之與裝置前，先對本發明的基本原理作 一簡單的介紹，首先是光電二極體的頻譜響應之原理介紹與模擬。 光電流產生的原因主要是入射光打入之後，激發出電子電洞對， 再加以半導體兩端的壓降將電子電洞對分離，產生光電流。整個過程 如圖四所示，光電流的產生來源主要有兩項，第一項是來自於空乏區 以外因載子濃度不均所造成的擴散電流，第二項則是來自於空乏區内 的電場’此電場將感應所生成的電子電洞對分離而產生漂移電流。 接下來要對下面幾個物理參數作定義：首先是光子通量，定義為 某一入射光在單位面積内所激發出電子電洞對的數目，以φ表示，若 用數學式表示，可以寫成下面的關係式： <Ρ〇
Ah v .(2.1) 其中Pin為入射光的能量；R(A)表示反射率，是波長的函數；a 為照光面積；h為Planck constant; v為入射光的頻率，可以利用入射 本表張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂 ί I ΜΜΝΒ Μ··詹 線丨·-----i! 595009 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明說明（g 光的光速除以波長而獲得；式中的下標φ0代表了光子通量和受光表 面距離的關係，以圖五做說明··假設9〇為照光表面的光子通量，那 麼光子通量會隨著照光表面的距離成指數性的衰減，若^^表示在距 離照光表面X處的光子通量，則可以表示成下面的關係式： φχ = φ〇β-αχ ^ ....................................(2.2) 在這邊要特別提出來一項重要的參數：吸收係數αα和受光材 質有關，因為各種材質能階不同，而不同波長的光子所攜帶的能量也 不同，光子所攜帶的能量必須大於受光材質的能階，才能被受光材質 吸收，而激發出電子電洞對，光子被受光材質吸收的過程符合高斯機 率分佈的現象，因此如果入射光子所攜帶的能量越高（前提是至少必 須大於受光材質的能階），那麼這些攜帶高能量的光子在接近表面的 地方被吸收的機會就越大；相反的，如果入射光子所攜帶的能量越 小，那麼被受光材質吸收的機會就越小，因此會在距離受光材質表面 較深的地方才會被材質吸收，而激發出電子電洞對，而光子的能量和 波長成反比，因此入射光波長越長的話，就會穿越到材質較深的地方 才被吸收，波長越短，則只能穿透到表面較淺的地方即被吸收，因此 在這邊，要再提出一個物理量：吸收長度。吸收係數的倒數1/α:即為 吸收長度，吸收長度在物理上的定義為『某固定波長下的入射光，在 經過了距離受光表面1/α的深度之後，能量會衰減為原來的i/e』，吸 收長度和入射光波長λ的關係如圖六所示，從圖中可以很清楚的發 現，波長越長的入射光吸收長度越長（吸收係數越小），代表長波段 的入射光，所能打到的地方越深。吸收係數和入射光波長λ的數學 式，根據實驗結果，以矽材質而言，α和λ有下面的關係式： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I 一 ν _ I I I i an MB^*OJ n ϋ I ϋ I ϋ _ϋ e I -ϋ 1· n 1 n ϋ I ϋ ϋ 595009 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（(^) l〇gl0-13.2131-36.7985A + 48,893^-22.7562,3 ^ ^ 光電二極體頻譜響應的模擬，主要是利用下面幾項數學式來求 解： (1) 少數載子的熱平衡方程式 (2) 受光材質表面兩侧的光電流密度公式 (3) 同型材質間少數載子密度及電流密度的連續性 (4) 異型材質間空乏區邊緣的濃度平衡關係式 圖七是TSMC所提供的1P3M 〇 5um CM〇s_ 的Nwell-Pepi-Psubstrate接面架構的光電二極體；圖八則是對此光電 二極體所做的模擬與量測的比較，由圖中可以知道我們所推得的模型 之正確性及可靠性。 二、本發明與裝置之簡易模型推導與分析： 在對光電二鋪_譜響應做完模擬赫導之後，首先必須瞭解 光電二極财的各項參數_譜_的料，在轉了魏相關參數 對頻譜響應的影響之後，便可關用這些躲，來進行所需之設計， 主要著重的兩項參數是離子植入濃度與佈植深度。 離子植入的濃度主要是影響到感應光電流的大小，因為光電二極 體是操作在逆偏壓的狀態下，因此產生的電流必須從少數載子崎為 著手。少數載子必須能到達空乏區邊緣，而且被空乏區内的 進去，然後快速通過空乏區，如此才能有效的形成光電流，因此若離 ，植入濃聽大，财數餅在技區_射，被復合的 就會增加’使得形成光電流的少數載子數目相對的減少，整個過程可 以用圖九來表示：圖中上半部的黑色點為多數載子，可視為離子植入 的浪度’白色點為少數载子’而下半部則可將白色點視為離子植入濃 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -' — — — — III ^ 111[1111 I — — — — —— 111.
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595009 A7 五、發明說明（f 在此付出了成個構想·首先是關於各個頻段響應度不均的解決方 式，如果能財效提高將響應度較低的頻段拉高，再將響應度較高的 頻段的訊號疊加起來，則可以得到一組在各個頻段具有均勾響應度的 頻譜響應之曲線，此種作法，將有助於後級色彩補償電路設計上的簡 而在㈣分之中，也同時歸納出了數點製程調配上的原則，以期 月b達到最佳化設計的光電二極體之頻譜響應。 、第一個構心、疋關於形色濾光片❸改善方式，從前面的模擬結果中 可二看出個光電—極體的總響應其實是由數健域的部分頻譜響 μ且力而成日此如果誠出—種設計方式，麟將這數侧譜響應 分別獨立取出，那麼便可以在同一個光電二極體上得到各種不同的頻 碏響應，而無須外加彩色濾光片的製程。 【圖式簡單說明】 請參閱以下有關本發明一較佳實施例之詳細說明及其附圖，將可 進-步瞭解本發明之技術内容及其目的功效；有關該實施例之附圖 為： 圖一為習知數位影像齡器的架構圖；此圖是以cm〇s製程的 主動式感光像素（Active Pixel Se職）為例，圖中的r、g、B c〇i〇r Filter Arrays乃是根據人眼視覺原理排列而成。 、圖二為習知彩色感光像素的作法式意圖；上方的麻〇l㈤微 透鏡技術）是為了提高響應度而加上去的製程； 圖三為紅、綠、藍彩色感光像素的頻譜^^;其中每個元件頻 譜響應的峰值分別出現在紅（650nm)、綠（55〇nm)、藍（450nm) 三個波段附近，圖中最上面的曲錢未加上彩色濾光片的原始信號； 圖四為光電流的產生過程示意圖；圖中陰影部分為空乏區内的漂 本紙張尺度迺用中國國豕標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 --ml — — — ^ -----— — II I — IIIII---- 595009 A7 _______ B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（f ) 移電流，其餘兩部分則是擴散電流； 圖五為光子通量和照光面的距離呈現指數性衰減之關係圖； 圖六(a)及圖六(b)為吸收長度和入射光波長又的關係圖；圖六⑷ 為波長400nm〜lOOOnm間的吸收長度；圖六(b)為短波長部分放大圖； 圖七為 TSMC 1P3M 0.5um CMOS Epitaxial Wafer 製程 Nwell-Pepi-Psubstmte接面光電二極體示意圖； 圖八為圖七之光電二極體的模擬和量測結果之比較圖； 圖九為離子植入濃度對於有效形成光電流載子數目的影響示意 圖；在圖的上半部，白點是少數載子，下半部的少數載子是黑點； 圖十為離子植入濃度和少數載子平均壽命的關係圖（其中橫向座 標軸單位是表示10的乘幂次方），可以發現離子植入濃度越大，少數 載子平均壽命越短； 圖Η為圖七之光電二極體各個區域的頻譜響應模擬之比較圖； 圖十二(a)〜(C)為利用 TSMC 1Ρ3Μ 0_5um CMOS Epitaxial Wafer 製程的光電二極體之量測結果示意圖，圖中黑點部分是原始信號，白 點部分是加上彩色濾光片後的信號；圖十二(a)為紅色濾光片；圖十二 (b)為綠色濾光片；圖十二(c)為藍色濾光片； 圖十三為圖十二之彩色感光像素量測結果示意圖； 圖十四為具有均勻響應度的頻譜響應曲線圖； 圖十五為利用具有圖十四的頻譜響應之元件所做成的彩色感光 像素之頻譜響應圖； 圖十六為用來設計出具有圖十四的頻譜響應之感光元件的線性 豐加式彩色感光像素示意圖；圖中的增益（A1〜An)可以利用感光面 積的大小或放大電路之大小來達成； --—------- 11 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 會----- 訂--- · 1 as w m MM MB am 不雌τ _ _準(CNS)^^(21〇x297 么石 595009 A7 五、發明說明（、乙)） 圖十七(a)〜(c)為達成圖十六之目的所採行的訊號增益方式示意 圖，圖十七(a)利用感光面積的不同；圖十七(b)利用後級放大器增益 的不同’圖十七(c)感光面積與後級放大器均經過適當之比例計算； 圖十八為TSMC 1P3M 0.5um和TSMC 1P3M 0.6um製程的光電 二極體之結構圖； 圖十九(a)及圖十九(b)為本發明所提出的多層pN接面的製程結 構圖；圖十九(a)最上層（受光面）為N型半導體；圖十九(b)最上層 (受光面）為P型半導體； 圖一十為具有有兩個PN接面的光電二極體，分別是 PdiffUSlon_Nwell以及Nwell-Psubstrate示意圖（此結構之光電二極體 在 TSMC lP3M0.6um 以及 TSMC lP4M0.35um 中均有提供）； 圖二十一為圖二十的光電二極體之模擬結果圖；黑點部分以及白 點部分分別是PdifiUsion-Nwell以及Nwdl-Psubstmte兩個接面所產生 的光電流； 圖二十二為將PN接面短路後之示意圖；如此將對接面電流產生 影響，造成電子電洞對不斷復合，使得電流為零；因此，這兩種不同 的佈局設計會造成如圖二十一所示的兩種頻譜響應； 圖二十二為本發明所提出之可調適性彩色感光像素示意圖;圖中 的SW1〜SWn是用來控制該頻段之頻譜響應的開關； 圖二十四為具有三個PN接面的光電二極體之頻譜響應模擬結果 圖；由左至右分別是第一個至第三個PN接面所造成的光電流； 圖二十五（a)及圖二十五（b)為TSMC ip3M 〇 5um Nwell-Pepi-Psub的光電二極體在不同偏壓之下頻譜響應的改變情形 示意圖；其中圖二十五0)為頻譜響應改變部分放大圖，最上面的曲 _ 12 Μ我張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---------線— 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 595009 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 發明說明〜\) 線為5V，中間為3V，最下面則是〇v ; 圖一十六為 TSMC 1Ρ3Μ 0.5um Nwell-Pepi-Psub 的光電二極體 在不同偏®之下在空乏區部分頻譜響應的改變情形示意圖；其中最上 面的曲線為5V，中間為3V，最下面則是〇v ; 圖一十七為 TSMC 1P3M 0.5um Nwell-Pepi-Psub 的光電二極體 在不同偏壓之下頻譜響應的量測所得的結果示意圖；從圖中可發現， 當偏壓從GV變到5V時，其頻譜響應的趨勢幾乎不變； 圖二十八(a)〜(c)為利用兩個二極體在不同面積（增益值）下對頻 譜響應做訊號疊加之動作所造成的頻譜響應之改變示意圖；圖二十八 (a)為 TSMC 1P4M 0.35um 製程；圖二十八⑼為 TSMC 1P4M 0.5um 製 矛壬，圖一十八(c)為TSMC 1P4M 0.6um製程； 圖-十九(a)〜(e)為彻同—個二減不同的佈局方式造成不同 =頻％響應之里測結果示意圖；圖二十九⑻為tsmc ㈣咖 製程；圖二十九⑼為TSMC 1P4M〇.5um製程；圖二十九⑷為TSMC lP4M0.6um 製程； 圖二十為具有三個州接面的光電二極體示意圖； 一 f三十一⑷〜(C)為利用圖三十所做成的紅、、綠、藍三原色感光像 素此圖中利用接面開關作為三種色彩感光像素之選取控制； 圖-十（a)為藍色感光像素；圖三十一⑼為綠色感光像素；圖 一⑷為紅色感光像素。 —卞 模擬二十九之參數μ圖三十所示之佈局方式所 』<、、工、、、彔、監三原色的頻譜響應圖。 【較佳實施利】 本發明針對_具有平坦或選㈣應之可調式光電二極體架構 本紙張尺度適用中—家標Χ 297 ϋ ί請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} I-*β ----- — ΜΙ 一 5V I ϋ Β·1 1 ^1 1 1> ϋ I 線丨·-----I;! 595009 A7 五、發明說明（f) 置，基於前—部份中所提到之構想，本發明主_ 了π 1·利用訊號疊加的方式的來造成頻譜響應的均勻度，以 光片和後級色彩補償電路設計上的簡化； ' 彳心 2·配合第-點，本發縣綱在達成第—點目的的過財，半 體製程參數調配的最佳化之方法；包括如何調配出能獲得最大響應度 的製程參數以及如何能獲得具有某個峰值波長的頻譜響應；一 3·本發明提出了多層ΡΝ接面的製程，以提供可調適性頻譜響應 的光電二極體之設計，並配合適當的光電二極體佈局設計之方法，在 無需用到彩色濾、光片的技術之下，而設計完·色感光像素。 針對上述所提及之論點，以下將分別做詳細說明： 1·線性疊加的方法 提出這個設計的原因，是為了要得出一組曲線較平坦的的頻譜響 應，圖十二所示是利用 TSMC 1Ρ3Μ 0.5um CMOS Epitaxial Wafer 製 程所得的量測結果，圖十三則是此梯晶片加上紅綠藍彩色濾光片之後 的頻譜響應，圖中很明顯可以看出在響應度在各個頻段的大小均不 同，因為此種原因，使得在設計彩色的影像擷取器時，一方面必須考 慮到彩色濾光片對原始感光元件的影響，同時在後級色彩補償電路的 設計上，也必須考慮到感光元件原始的響應曲線以及經過濾光片之後 的感光特性，而增加了設計上的複雜度。因此提出這個設計方式，若 是能得出一種具有圖十四所示的頻譜響應曲線的感光元件，則只要利 用相同透射率的彩色濾光片，就可以得到如圖十五所示的各種具有相 同響應度的彩色感光像素。 本發明的作法是對各個具有不同頻譜響應的元件之光電流訊號 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 —------訂 i n n Ml meme ϋ -線---------------------- 595009 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（4 只需介於二倍到三倍的吸收長度即可，以石夕材質而言，其截止波長（超 過k個波長的入射光，其能量小於石夕的能帶，而無法紐出電子電洞 對）約為lum ’而ium的入射光之吸收長度約為15〇咖，因此探討 的厚度範圍從O.Olum到500um。 接著利用圖四所不的光電二極體進行模擬，可發現到響應度的最 大值出現的時機，均出現在濃度為模擬範圍内的最低值，離子植入濃 度越低的話，少數載子壽命會越長，因此濃度儘可能的低，則整體的 頻增響應會有最大值。另外是厚度的選擇，必馳兩個地絲探討， 百先是受光面的厚度之選擇。根據對表中的數據進行分析之後，發現 到這些極值均出現在受光面賴接近空乏區寬度的時候，造成這種現 象的原因可峨載子吸收率來作解釋；在空乏區之外，從人射光激發 產生電子電洞對到電子電洞被空乏區吸收而有效的形成光電流這段 過程，整個載子的產生率是呈現自然對數般的衰減現象的 ，因此只有 2到了空乏區親所產生電子制對才能形成纽的光電流；但是在 空乏區以關不-樣，由於喊電場的關係，電子電洞對在空乏區内 的吸收率可以視為100〇/。，在這區域内所產生的電子電洞對完全可形 成有效之光電流’基於這個原因，如果能駿乏_寬度盡量的延伸 到文光之表面，則可以將這—面所產生的電子電洞對做最佳的吸收盘 利用。 ' ^ 接著是背光面厚度的選擇，在基座厚度的選擇上，從表中的模擬 結果可以看出，在其他三個參數固定之下，同—人射波長時，基座厚 度越厚，則整體的響應度越高，這也是牵涉到載子吸收率的問題。和 受光面不_是，在受光面的部分，#空乏區完全填滿這—部分時， 載子被利用的比率最大，但在背光這一面，除了空乏區這依條件成立 16 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---- 線丨·-- 木紙張尺度適用中家標準(CNS)A4 x 297公愛7
A7 B7 之外，若能再加厚整體的材料厚度，則對载子的吸收率將會更大，因 為基座厚度越厚，則會被吸收到的載子也就越多。也就是說，在背光 面廷-部份的厚度之選擇上，選擇的厚度除了要大於空乏區寬度之 外，如果再配合载子吸收效應，將這一部份的厚度再加寬，則會對整 體的響應度有更佳的效果。在這邊要特別提出一點就是，通常基座厚 度到達，倍或三倍_散長度之後，整轉應提高的現象就不甚明顯 了，這是因為受到吸收長度的影響。 根據上面的权擬結果以及物理現象之分析，在S高頻譜響應的作 法上，歸納出了下面幾點結論： ⑴自受光面算起，到達空乏區之前，要盡量使載子被全部吸 收，因此較絲轉度盡量設制触乏轉填滿； (2) 在超過空乏區以後的背光面區域，要盡量的厚（至少要厚 於空乏區寬度），增加被吸收的載子數目； (3) 濃度要盡量的降低。 下面幾項參數分別是影響頻譜響應大小的最主要參數，如式(2.4) 中所示，是整個頻譜響應的函數，其中的_表示受光面至空乏區 的寬度，WD表示背對受光面辭導體材f厚度，n*p分別代表材 貝/辰度，則我們若要得到最大的響應度，式(2 5)所表示的參數之調 配，亦即WU的寬度要盡量接近空乏區寬度，WD的寬度盡量的大， 至於離子植入的濃度則要盡量降低，在做光電二極體的設計時，只要 依循此種設計規範，便可獲得最大值之頻譜響應。 R = f(WU,WD，n，P)v=〇........................(24)
Rm〇x = f{wu Depletion WD Max, n Min, p Miri)v^ (2 5) 右以真正的數學式表示’今假設給定一型如圖四所示的光電二極 _____ ______ 17 "本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) ' ' ------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 線丨•丨 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -«1 ϋ n ϋ I I ϋ >1 I n .1 論 595009 A7 五、發明說明（( 論： (1) ΤΝ=0 (亦即 WN=DRN) (2) a=Lp 其中的第一個關係式用數學式可以表示成 —I—' 、n p <JL· n+p ....................(2.9) 第二個關係式則需要經過幾個換算的過程，才可以看出某個波長 之下，欲_最大響應度的濃度_。首先—表示錢長的函數， 其次Lp是濃度的函數，因此經過這樣的換算過程，便可以得出一組 波長對濃度的函數關係，來做為設計之方法，其關係式如下· |q(i3.2131-36.7985A+48.1893A2-22.7562/13) _
(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 « + 1.999xl〇18 (2 接下來要探討-下峰值波長的取得方法，取得峰值波長的方法如 下所述：我們將離6)、式⑽以及式㈣王項相加，則可以得到總 頻譜響應的光電流公式，再從這個_譜響應的光電流公式中，取^ 為波長函數的參數（α和_)，改以波長的函數來代表q可以利用 式(2·3)來表示，_可以離υ來代換）；_其餘的參數則 度的函數來代換（式(2_9)和式(2耶卩可）。經過這兩次代換之 後，便可轉這組總頻譜響應的光電流公式改寫成只有波長以及濃声 兩項變數的方程式。現在假設要使此賴響應的峰值出贴在=度 則必須將此方程式對λ這項變數作微分，然後再將^以又1代入1 後求出使此方程式等於零的參數解即可，整個 2之 子作說明。 〜訂面幾個式 R = f{^，n，p，V).....................................................
------------t-------— -----^---II ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐 595009 A7 五
發明說明（4 dR dA 心，P，V)f = 0 .(2.12) .(2.13) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ......... 如上所述’利用式(2·11)、式(2.12)以及式(2.13)，就可以得出峰 值波長的製程參數之調配方法。 3·無須彩色濾光片的彩色感光像素之設計方法 一般製程的光電二極體所提供的ΡΝ接面個數往往較少，圖十八 所不，是TSMC所提供的幾種製程，從圖中看來，ρΝ接面最多的結 構疋Ρ+一Nwell一Psub型的光電二極體，根據前面所描述，不同深度的 PN接面才能產生不同的頻镨響應，因此本發明首先提出如圖十九所 示的多層PN接面製程之開發，以提供足夠多組的頻譜響應，使得頻 譜響應有更多的變化。 接下來要考慮的便是如何將各個頻段的頻譜響應『分離取出』的 方法。本發明設計方式的基本原理可以先從圖二十中具有最簡單的多 層（兩層）PN接面的Pdiffbsion-Nwell-Psubstrate結構來做說明（TSMC lP3M0.6umCMOS製程），圖中所示的光電二極體有兩個州接面， 分別是Pdiffiision-Nwell以及Nwell-Psubstrate，因此這種光電二極體 本身可以提供兩組不同的頻譜響應，而光電二極體整體的頻譜響應其 實就是全部區域所貢獻光電流的總和，而這些個別區域的頻譜響應則 隨著接面深度以及離子佈植濃度的不同，而對每個波段的入射光有不 同的響應。圖一十一是利用此種製程之參數所做的模擬結果，從模擬 結果中’可以看出母個PN接面分別提供了一組頻譜變應。 如今欲將這兩組頻譜響應個別取出，所採行的作法是把不想要的 那個PN接面短路起來，接面短路之後的影響如圖二十二所示，因為 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -— ____ 20 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 595009 A7 — —------ B7 五、發明說明(^ ^ PN接面-旦短路起來，那麼在這個接面所生成的電子電洞對便會一 直不斷的被復合，而此接輯貢獻的光電流就會被消去。也就是說， 方將PdiffUslon以及Newll部分短路起來的話，則這部分的賴響應 (短波長）將會、;肖失，狀，麵Newlum 她齡起來的 話，則就可以消去長波長部分的頻譜響應，而只剩下pdi腕〇n以及 Newll這個接面的頻譜響應了。 利用攻個想法’接著提出了下面的結構，來達成可調適性頻譜響 應的το件。如圖二十三所示，如果製程能夠提供各種不同深度的pN 接面’而這每個PN接面會有不同的頻譜響應，接著分別設計一個可 提供短路功#關關（只需在晶#佈局上設計即可），糊每個開關， 分別決定的每段頻譜的使用與否，如此一來，便可以有效的取得本發 明所欲取得之頻譜響應。圖二十四是利用三層pN接面所做的模擬結 果。 ° 根據上-部分的分析結果’可發現到如果要有效的在㈤—個元件 上做出具有明顯頻碏響應偏移現象的話，可以藉由改變N型半導體 區、空乏區以及P型半導舰所錄的電流比來達成。為了達成這一 目的’曾經有人提出糊爐控制的方式，其基本原理是·偏壓改 變空乏區的寬度，空乏區寬度一改變，則N型半導體區以及p型半 導體區的邊界值都會隨著改變，而影響整體_譜響應，以達到峰值 波長偏移的目的。但就實際上的使用情形而言，可以從圖二十五的模 擬中看出，當偏壓在0V〜5V時，整個頻譜響應的趨勢幾乎不變，其 原因可以從圖二十六中觀察出來，當偏壓從〇v變成5V時，空乏區 的改變僅僅不到lum，這使得整體的頻譜響應還是由p型區的電流所 主導，如圖二十七所示，則是實際的量測結果，從圖中也可以清楚的 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} I ΜΗ· ·ΒΗ0 av <* ΙΜ*^δν _ β·· ^ β ϋ ma— «^1 Mlm i-1 n ϋ He 21 B7 五 部 智 慧 發明說明Cy〇) 發現’利用偏壓控制，其效果並不明顯。 4·實施例之說明 5 2圖二十八所示，為本發明利用兩個不同頻譜響應的元件，在不 同增扭（面積）之下所做的訊號疊加，可以發現到疊加的頻譜響應曲 =趨平緩_勢，姻二十人⑻〜圖二权(e财,發現在不 同製私之下，只要利用不同的比例分配，就可以獲得一組最平緩的頻 譜響應。從這幾張圖所發現的的實驗結果印證了線性疊加方式的可行 性’本發明將不同頻譜響應的元件，利用感光面積的不同而將立气 號作疊加，則可以得出不同_譜響應。 、 仙圖二十九是利用TSMC所下線之晶片量測所得的結果，其中頻 ^曰應峰值偏向短波長的部分，是在作晶片佈局設計時，將地別 ^substrate短路域所得的麵絲；鱗值偏向長波長的部分， 貝疋在佈局断時，將職siQn从_驗触麵得到的量 果由圖中可以清楚的發現，同一個元件只要利用不同的佈局 方式，就可以得到明顯的綱響應峰值偏移的現象。 =_如®二切示的具有三個阳接面的光電三鋪來作模 嶋^度賤梅㈣中獅，在⑽局上，我們以 =電肩關為例，侧三十—所表示三種不同的接面之短路 ^ —&_得紅、綠、_色的感光像素， 圖一十_則疋此二種色麵感光像素之模擬結果。 將^些不同趨勢的賴響應分離出來，而得到各種色彩 二ΓΓΓ方法，只要在適當的製程參數之配合下，就可以在 ==彩色舰片的情形之下，製作完成具 閲 拳！· 線 —---------- 22 本紙張尺度刺㈣國家標準（CNS)A4規!公羞- 595009 A7 B7
五、發明說明G ί特點與功政1 本發明所提供之針對頻譜具有平坦或選擇響應之可調式光電二 極體架構方法與裝置，與其他習用技術相互比較時，更具有下列之優 點： 一、本發明利用各個不同頻譜響應的感光像素，對其感光面積的 大小做設計，或是將感光像素接到具有不同增益之後級放大器，然後 分別對各組頻譜響應做線性疊加，則我們可以得到一組較平坦且在各 侧段均有響應雜大的賴響應之鱗。此㈣餐目的在於改善 各種色彩的感光像素響應度不均的缺點，利用此種發明，同時也將有 助於後級的色彩處理電路設計之簡單化與一致性。 訂 一、本發明觀製程參數的特性，歸㈣了 _些製程參數選取的 方法，這些設計方法將有助於感光像素整體特性的掌握，包括了如何 提高光電二極體的響應度以及峰值波長的取得。 線 三、本發明考慮到不加彩色遽光片的彩色感光像素之可行性，而 提出了 -種具有可調適性頻譜響應的晶片佈局設計方式，因為不同深 度的半導體ΡΝ接面，會產生不同峰值波長的頻譜響應；利用這個基 本原理，配合多層ΡΝ接面的製程，可以使得同一元件擁有各種不二 的頻譜響應；然後利用晶片佈局的設計，將這些不同趨勢的頻譜響應 分離出來，而得到各種色彩的感光像素。“ 上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該者 施例並非__本發明之專圍，凡未_本義鄕精神所^ 之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。 、综场述，本料但在技術思紅韻_，並能較制方法增 進上述諸多功效’應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要 _W(CNS)A4規格⑽χ挪二） I ^ 595009 A7 _____ B7 _ 五、發明說明 件，爰依法提出申請，懇請貴局核准本件發明專利申請案，以勵發 明，至感德便。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 24 * 1 - -^1 ϋ 1 I I I 1 I ί )5Ίν * n ϋ I ϋ ϋ I ϋ I 1 n n n n n ϋ ϋ 1 n ϋ n n ϋ n ϋ -I n n el _ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

  1. 為顯（以及將此電流產生之來源闕閉）的狀^ :;㈣開路時，此時接面二極體會形成光電： 關可視為開(將電流產生的來源打 k㈣候開 關的開蛊Μ能_^门\ 的狀…廷樣利用每個開 一來’、隱心之不同’分別決定的每段頻譜的使用與否，如此 “便可以有效的取得所欲取得之頻譜響應。 28
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