TWI455644B - 半導體裝置及其校正方法 - Google Patents

Description

半導體裝置及其校正方法

本發明係關於半導體裝置及其校正方法，特別關於具有雷射二極體及陣列感測器整合為一體的半導體裝置、及其雷射二極體的發光功率之自動校正方法。

隨著半導體技術的進步與各種電子設備的多種應用需求，對於具有半導體影像感測器、半導體光源、及相關控制電路整合在一起的半導體裝置之需求日漸增加。舉例而言，光學滑鼠、數位相機、或數位攝影機等等，均會使用此類半導體裝置。一般而言，影像感測器可為CMOS感測器或是電荷耦合裝置(CCD)，而光源可為包含雷射二極體等的發光二極體。一般而言，在此半導體裝置中，分別形成於不同晶片的CMOS感測器與雷射二極體，藉由封裝技術而整合成為單一半導體裝置。然而，為了安全規定等理由，必須將雷射二極體的發光功率控制於預定範圍內。傳統上，在將二者整合為一體前，會依順向偏壓值，將雷射二極體分組，並藉由外部電阻控制發光功率，以使整合後的裝置可以符合安全規定。然而，此種方式無法精確地控制雷射二極體的發光功率，且在量產時無法快速地及準確地校正雷射二極體的發光功率。

在如圖4所示的先前技術中，藉由與半導體裝置40分開的外部光功率計41來量測雷射二極體的發光功率並將其傳送給例如個人電腦等外部控制器42，再由外部控制器42回授控制半導體裝置40中的雷射二極體的發光功率，據以控制發光功率在預定值內。然而，此方式需要外部功率計取得回饋訊號且無法在量產時對大批的半導體裝置40快速且準確地進行發光功率的校正。

因此，先前技術具有耗時、無效率及成本高等缺點。

慮及上述，需要能夠不用外部光功率計即可自動校正發光功率之半導體裝置、以及能夠快速地、準確地校正大量半導體裝置的自動校正方法，以大幅降低製程時間及製造成本。

鑑於上述，本發明提供具有自動校正發光功率的半導體裝置，以及可以自動校正大量半導體裝置的發光功率之自動校正方法。

根據本發明的一態樣，半導體裝置包括半導體光源；陣列感測器，用以感測半導體光源所發射並經物體反射的光，及將反射光的功率轉換成電訊號；以及，回饋控制單元，根據電訊號，回饋控制半導體光源的光功率。

根據本發明的又一態樣，半導體裝置包括：半導體光源；陣列感測器，用以感測半導體光源所發射並經物體反射的光，及將反射光的功率轉換成電訊號；回饋控制單元，根據電訊號，回饋控制半導體光源的光功率；以及，可程式化裝置，在未被程式化之前，暫存並輸出回饋控制單元的輸出訊號以控制半導體光源的發光功率，以及，在接收程式化訊號而被程式化之後，產生固定的輸出訊號，以控制半導體光源以固定光功率發光。

此外，根據本發明，陣列感測器、回饋控制單元形成於同一晶片上，而半導體光源形成於另一晶片上，二晶片係經由半導體封裝技術而封裝成半導體裝置。或者，半導體光源、陣列感測器、回饋控制單元形成於同一晶片上。總之，實施時，各光學或電路元件可個別構成晶片、部分整合在同一晶片、或均整合在同一晶片上。

根據本發明的又一態樣，自動校正方法用以自動校正根據本發明的半導體裝置，包括下述步驟：定位步驟，以製具固定眾多半導體裝置及反射平面之間的位置關係；回饋控制步驟，根據個別半導體裝置中的陣列感測器的感測訊號，由回饋控制單元回饋地控制半導體光源的發光功率，直至發光功率在預定範圍內；以及，程式化步驟，當發光功率在預定範圍內時，程式化個別半導體裝置中的可程式化裝置，以使半導體光源的發光功率固定。

根據本發明，在生產線上，可以不需要使用外部光功率計，即可對大量的半導體裝置自動地執行半導體光源的發光功率之校正工作。

又，根據本發明，半導體裝置可以回饋控制發光源的發光功率，以及，在取得所需的發光功率之後，可以藉由程式化而使發光源固定地以所需的發光功率發光。

本發明的一或更多實施例之細節揭示於附圖中及下述說明中。從說明及圖式、以及申請專利範圍中，將清楚本發明的上述及其它特點、目的、及優點。

在下述詳細說明中，揭示眾多具體細節以助於完整瞭解本發明。但是，習於此技藝者將瞭解，不用這些特定細節也可以實施本發明、本發明不限於所述的實施例、以及可以由不同的替代實例來實施本發明。

圖1係顯示根據本發明的半導體裝置實施例及其處於受校正之情形。如圖所示，根據本實施例之半導體裝置10具有封裝在一起的陣列感測器11、雷射二極體12、雷射二極體驅動器14、類比對數位轉換器(以下簡稱ADC)15、可程式邏輯器16、及回饋控制器17。雷射二極體12的發光功率係受控於雷射二極體驅動器14的輸出電流，亦即，其發光功率隨著驅動器14輸出的電流而變。舉例而言，陣列感測器11、雷射二極體驅動器14、ADC 15、可程式邏輯器16、及回饋控制器17可以形成於同一晶片上，而雷射二極體12形成於另一晶片上，這二個分別的晶片藉由半導體封裝技術而被封裝在一起而形成半導體裝置10。

感測器11，舉例而言，可為16x16的CMOS陣列感測器，其會感測雷射二極體12所發射並經反射面反射的光，及將感測到的光訊號轉換成電訊號。ADC 15接收來自陣列感測器12的電訊號並將其轉換成數位訊號及輸出至回饋控制器17。ADC 15可以將類比訊號轉換成多個位元的數位訊號，舉例而言，8個位元的數位訊號。回饋控制器17可為硬體或韌體，根據來自ADC 15的數位訊號，決定雷射二極體12發出的光功率是否在預定的範圍之內，藉以經由可程式邏輯器16而使雷射二極體驅動器14改變輸出電流，以改變雷射二極體12的發光功率，直至雷射二極體12的發光功率落在預定範圍內。

根據本實施例，可程式邏輯器16包含暫存器及例如電子保險絲(E－fuse)等可程式化元件。因此，可程式邏輯器16可以藉由暫存器以暫存及輸出回饋控制器17所供應之回饋訊號，以控制雷射二極體驅動器14的輸出電流。因此，在受回饋控制器17控制期間，雷射二極體驅動器14的輸出電流會隨著回饋訊號改變而改變，而雷射二極體12的發光功率也因而隨著改變。此外，可程式邏輯器16可以與例如個人電腦等外部控制器30連接。當回饋控制器17判定雷射二極體12之發光功率已落在預定範圍內時，外部控制器30可經由可程式邏輯器16取得此資訊，並據以輸出程式化訊號給可程式邏輯器16以將其中的電子保險絲(E－fuse)程式化，以致於可以將此時的雷射二極體驅動器14的輸出電流固定。簡言之，可程式邏輯器16具有暫存器(未顯示)以暫存回饋邏輯控制器17的動態輸出以使雷射二極體驅動器14的輸出電流動態地改變，藉以改變雷射二極體12的發光功率，而在雷射二極體12的發光功率被判定為落在預定範圍內時，可以由外部控制器30程式化電子保險絲組(未顯示)，以使雷射二極體驅動器14輸出之電流保持固定，也因而使雷射二極體12的發光功率固定。請注意，可程式邏輯器16在被程式化之後，無論於任何時間重新啟動半導體裝置10，雷射二極體12的發光功率仍然可以保持固定。關於回饋控制器17所執行之回饋控制，將於下述中進一步說明。

根據本發明的半導體裝置10，可以使用設於其中的陣列感測器11來取得雷射二極體12的光功率之有關訊號，回饋控制雷射二極體12的發光功率，無須藉由外部光功率計的量測。

自動校正方法

接著，說明根據本發明的半導體裝置10的雷射二極體12的發光功率自動校正方法。

先期製備

在對大量根據本發明的半導體裝置10進行校正之前，先製備校正參考表。

首先，以外部光功率計選取一或多個具有例如300 μ w等特定功率的雷射二極體12之半導體裝置10。在本實施例中，為簡化說明起見，以一個半導體裝置10為例說明。

接著，以製具固定此整合的待測裝置10及一外部光反射板20之間的相對位置，以使此待測裝置10能在最大的曝光操作範圍操作。

然後，使雷射二極體12以發光，以光功率計量測其發射光之功率，以及記錄陣列感測器11相對應的輸出訊號之ADC值的平均值。以此方式，使雷射二極體12以不同的發光功率發光，而得到多組對應數據。舉例而言，如表1所示的多組對應數據。在表1中，第二欄為雷射二極體的發光功率，第三欄為ADC平均值。注意，在本實施例中所指的平均值係指格平均值，而一格係整個陣列感測器所形成的影像平面，舉例而言，16x16個感測器，亦即256個像素組成一格。此處所指之格平均值係十個不同格之ADC值的平均值。此ADC的平均值可以由不同於十格的其它數目來取得平均值。

自動校正處理

接著，參考圖2及圖3並配合表1，說明根據本發明的半導體裝置10之校正處理。圖2係顯示雷射二極體的發光功率之ADC平均值相對於LD碼的關係圖。圖3係流程圖，顯示根據本發明的校正處理。

根據表1之量測值，如果半導體裝置10的雷射二極體12之輸出功率希望控制在202 μ W至350 μ W的範圍之間時，只要控制驅動雷射二極體12的電流以使格平均值落在99至203之間即可。

首先，定義光功率的靈敏度如下：Pix＝P_range /Y_{ADC_range} (1)

其中，Pix為光功率靈敏度，P_range 為雷射二極體的光功率範圍，Y_{ADC_range} 為格平均值範圍。舉例而言，根據表1，Pix＝(513－74)/(250－18)＝1.89

接著，參考圖2，說明代表雷射二極體發光功率的格平均值與LD碼之線性關係。

在雷射二極體12的發光功率與ADC 15所量測到的值成線性關係之情形下，格平均值與雷射二極體12之發光功率之間的關係如公式(2)所示：P_real ＝Pix *Y_{ADC_range} ＋P_Offset (2)其中，P_real 代表雷射二極體真實的發光功率，Pix為公式(1)所示的光功率靈敏度、Y_{ADC_range} 為格平均值範圍、P_Offset 為雷射二極體的光功率偏移值。

另外，LD碼是代表控制雷射二極體驅動器14輸出之控制參數，其與雷射二極體12的發光功率成正比關係，如公式(3)所定義：L＝kP (3)其中，L為LD碼，P為雷射二極體的發光功率。

因此，由式(2)及(3)可得到下述公式(4)L＝k * Pix Y_{ADC_code} ＋P_Offse t (4)

由公式(4)顯然可知，LD碼與格平均值成比例關係，亦即，可以以如圖2所示的線性關係圖來表示二者之間的相關性。在圖2中，第一預定值設定為大於第二預定值。以表1為例，第一預定值為對應於功率350 μ W之ADC的格平均值203，第二預定值設定為對應於功率202 μ W之格平均值99。

接著，參考圖3，說明根據本發明的實施例的雷射二極體12的光功率的自動校正處理。

根據本發明的實施例之半導體裝置10之回饋控制邏輯器17執行圖3所示的處理流程。

如圖3所示，步驟201初始化。接著，在步驟202讀取影像訊號，亦即，讀取ADC 15送出的數位訊號，並以每十格影像訊號執行平均計算而取得格平均值。

然後，進行至步驟203，檢查格平均值是否大於第一預定值，若大於第一預定值，則進行至步驟204，若為否，則前進至步驟205。

在步驟204中，將與此格平均值對應的LD碼當作第一LD碼儲存，然後，進行至步驟208。

在步驟205中，檢查格平均值是否大於第二預定值，若為是，則進行至步驟206，若為否則進行至步驟207。

在步驟206中，將LD碼記錄為第二LD碼，然後，進行至步驟208。

在步驟207中，則將LD碼加1成為新的LD值，此新LD值會使雷射二極體驅動器14的輸出電流改變，因而使雷射二極體12的發光功率改變。然後再回至步驟202，執行類似操作。

在步驟208中，計算(第一LD碼＋第二LD碼)/2，並將LD平均值傳送至可程式邏輯器16，然後，結束此處理。

在回饋控制器17完成上述處理並將找出的最終LD平均值通知外部控制器30，以由外部控制器13對可程式邏輯器16執行程式化操作，以將雷射二極體12的發光功率固定。

控制器30可以經由通訊介面而同時連接大批半導體裝置10，由個別的裝置10完成本身雷射二極體12的發光功率校正後，對個別裝置10自動地執行程式化操作，以固定個別雷射二極體12的發光功率。

根據本發明，以製具固定大批半導體裝置10與反射器20之間的位置關係，再由個別半導體裝置10的回饋控制器17依據陣列感測器11測得的訊號，回饋控制雷射二極體12的光功率，最後，由外部控制器30自動地程式化個別雷射二極體12以固定其發光功率。值得注意的是，根據本發明的自動校正方法，在量產時，無須藉由外部光功率計，即可藉由裝置本身提供的感測及回饋控制功能而自動地完成校正處理。

因此，根據本發明，在量產時，可以自動且快速地校正並設定大量半導體裝置10中的雷射二極體12的發光功率，然後出貨。所以，本發明具有大幅縮短校正時間並因而顯著地增加製造效率、以及顯著地降低成本等優點。

上述說明僅為舉例說明，本發明不限於上述之特定細節，而是有任何其它的配置及替代、修改。舉例而言，上述雖以16x16 CMOS為例說明陣列感測器11，但應瞭解陣列感測器11可為其它任何可能的配置，例如16x8、8x16、32x32、32x64等配置，亦即，可為m x n的任何配置，其中，m及n均為正整數。當然，感測器11亦不限於CMOS感測器，也可為CCD感測器等其它形式的半導體感測器。此外，陣列感測器11、雷射二極體12、雷射二極體驅動器14、ADC 15、可程式邏輯器16、及回饋控制器17也可以個別構成晶片、部分整合在同一晶片、或均整合在同一晶片上。

雖然已於前述說明書中說明本發明的較佳實施例，但是，上述說明僅為說明之用且不應被解譯為限定本發明之範圍，習於此技藝者在不悖離本發明的精神之下，可以執行很多修改，後附之申請專利範圍係涵蓋所有這些落在發明的範圍及精神之內的修改。

10．．．半導體裝置

11．．．陣列感測器

12．．．雷射二極體

14．．．雷射二極體驅動器

15．．．類比對數位轉換器

16．．．可程式邏輯器

17．．．回饋控制器

20．．．反射器

30．．．外部控制器

40．．．半導體裝置

41．．．光功率計

42．．．外部控制器

圖1為方塊圖，顯示根據本發明的半導體裝置之施實例及其處於受校正狀態之情形；圖2係顯示雷射二極體的發光功率之ADC平均值相對於LD碼的關係圖；圖3係流程圖，用以說明根據本發明的半導體裝置之自動校正方法的實施例；及圖4係方塊圖，顯示先前技術之雷射二極體的校正方法。

10．．．半導體裝置

11．．．陣列感測器

12．．．雷射二極體

14．．．雷射二極體驅動器

15．．．類比對數位轉換器

16．．．可程式邏輯器

17．．．回饋控制器

20．．．反射器

30．．．外部控制器

Claims (13)

1. 一種半導體裝置，包括：半導體光源；陣列感測器，用以感測該半導體光源所發射並經物體反射的光，及將該反射光的功率轉換成電訊號；回饋控制單元，根據該電訊號，回饋控制該半導體光源的光功率；及可程式化裝置，在未被程式化之前，暫存並輸出該回饋控制單元的輸出訊號以控制該半導體光源的發光功率，以及，在接收程式化訊號而被程式化之後，產生固定的輸出訊號，以控制該半導體光源以固定光功率發光，藉此，該半導體光源的發光功率得以在該半導體裝置製造時，受校正並設定。
2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，該半導體光源為雷射二極體。
3. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，該陣列感測器為m x n之互補金屬氧化物半導體感測器，其中，m及n為正整數。
4. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，該陣列感測器、該回饋控制單元及該可程式化裝置形成於同一晶片上，而該半導體光源形成於另一晶片上，該二晶片係經由半導體封裝技術而封裝成該半導體裝置。
5. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，該半導體光源、該陣列感測器及該回饋控制單元形成於同一晶片上。
6. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，該可程式化裝置包含暫存器以暫存一微控制器的輸出訊號、及電子保險絲以接受該程式化訊號而使該輸出訊號固定。
7. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，該程式化訊號係由外部控制器發出。
8. 一種自動校正方法，用以校正如申請專利範圍第1至7項中任一項之半導體裝置，該方法包括下述步驟：定位步驟，以製具固定眾多該半導體裝置及反射平面之間的位置關係；回饋控制步驟，根據該個別半導體裝置中的陣列感測器的感測訊號，由該回饋控制單元回饋地控制該半導體光源的發光功率，直至該發光功率在預定範圍內；以及程式化步驟，當該發光功率在預定範圍內時，程式化該個別半導體裝置中的可程式化裝置，以使該半導體光源固定地以該光功率發光。
9. 如申請專利範圍第8項之自動校正方法，其中，該定位步驟將該半導體裝置與該反射平面定位成該反射平面處於最大曝光範圍。
10. 如申請專利範圍第8項之自動校正方法，其中，該回饋控制步驟又包括下述步驟：影像讀取步驟，連續讀取該陣列感測器的感測訊號；平均步驟，將所讀取的眾多感測訊號平均化以取得感測訊號平均值；及比較步驟，根據該感測訊號平均值，決定該發光功率 是否在該預定範圍內。
11. 如申請專利範圍第8項之自動校正方法，其中，該平均步驟係將十格的感測訊號平均。
12. 如申請專利範圍第8項之自動校正方法，其中，該比較步驟係決定該感測訊號平均值是否落在預定的訊號平均值範圍內，對應地決定驅動該半導體光源發光的對應控制參數是否在預定的參數範圍內，藉以決定該發光功率是否在該預定範圍內。
13. 如申請專利範圍第12項之自動校正方法，其中，在該程式化步驟中，根據在該預定參數範圍內的該控制參數，程式化該可程式化裝置。