TWI481039B

TWI481039B - Infrared sensing array device with readout circuit

Info

Publication number: TWI481039B
Application number: TW098140766A
Authority: TW
Original assignee: Nat Inst Chung Shan Science & Technology
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2015-04-11
Also published as: TW201119044A

Description

具讀出電路之紅外線感測陣列裝置

　本發明係有關於一種紅外線感測陣列電路，特別是指具讀出電路之紅外線感測陣列裝置。

　隨著必須滿足各種熱影像應用的需求，例如:火焰感測，針對感測電路之材料選擇、元件結構設計之最佳化與提升熱影像之解析度及偵檢度，均是過去十多年來為開發高品質之紅外線熱影像陣列模組的研發標的。舉例來說: 2002年日本Masalkar等人（US 20020088943A1），針對感測架構中多重量子井製程架構提出製程之改進與簡化，以提升感測元件的檢測效率；在2004年，美國Jeffrey B. Barton等人（US 20040061056A1），提出利用磷化銦基板之基礎上設計出近紅外線感測陣列模組之新架構，以及針對近紅外線感測陣列模組提出製程之改進方法，以用於製作感測陣列之架構上；2005年美國Michael G.Engelmann（US 20050104089A1）等人針對高畫素、高解析度之可見光與近紅外光陣列型影像感測器模組架構提出改良性架構，同年Frederick E. Koch等人（US 20050017176A1），首次提出量子點紅外線焦平面陣列模組結合CMOS訊號讀取電路架構之熱影像應用。
　然而，習知紅外線感測電路係針對單波段之熱影像去處理，因此不同波段之熱影像需要複數讀出電路從紅外線感測電路讀取對應不同紅外線波長之輸出訊號，由於熱影像感測之應用不單單僅針對單一波段進行感測，所以需要設置不同感測波長之讀出電路，以增加熱影像之感測波長之影像訊號輸出，卻提高了紅外感測陣列裝置之成本，且紅外線感測陣列裝置亦因增設對應不同紅外線波長之讀出電路而大幅地增加電路之使用面積，並導致紅外線感測電路之消耗功率上升，如此使用紅外線感測陣列電路之讀出電路單元之體積亦會受到使用面積的影響，更增加電路設計與陣列製程整合的複雜度。
　因此，本發明針對上述問題而提出一種具讀出電路之紅外線感測陣列裝置，不僅可改善傳統紅外線感測陣列電路僅能感測單波段之缺點，又可縮小感測電路之使用面積，以及增加感測波長，可解決上述之問題。

　本發明之一目的，在於提供一種具讀出電路之紅外線感測陣列裝置，其可讀取複數波長之紅外線訊號，以感測影像。
　本發明之另一目的，在於提供一種具讀出電路之紅外線感測陣列裝置，其利用不同控制之電壓訊號使感測單元感測不同波長之紅外線訊號。
　本發明之另一目的，在於提供一種具讀出電路之紅外線感測陣列裝置，其利用感測單元可感測不同波長之紅外線，並簡化讀出電路設計之複雜度，以減少紅外線感測裝置之電路使用面積。
　本發明具讀出電路之紅外線感測陣列裝置，其包含一感測單元、一切換控制單元與一讀出電路，感測單元係感測外界之紅外線，切換控制單元係依據不同電壓控制訊號控制感測單元感測不同波長之紅外線，供讀出電路從感測單元讀取對應不同波長之紅外線的輸出訊號，其中感測單元包含一透明基板、一共地接觸層、一第一紅外線吸收本質層、一第二紅外線吸收本質層、一第一電極、一第二電極與一控制電極，共地接觸層設置於透明基板上，第一接觸層設置於一第一紅外線吸收本質層上，第二接觸層設置於第二紅外線吸收本質層上，第一電極設置於共地接觸層上，第二電極設置於第一接觸層上，控制電極設置於第二接觸層上，讀出電路（readout circuit）利用一共用電極耦接第一電極，以及一輸入電極耦接第二電極，切換控制單元係耦接控制電極，切換控制單元經由控制電極控制感測單元切換為利用第一紅外線吸收本質層感測一第一波長之紅外線，以及第二紅外線吸收本質層感測一第二波長之紅外線，由於本發明之感測單元可感測不同波長之紅外線，而節省紅外線感測陣列裝置之電路使用面積，並節省成本。
　茲為使　貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：

　本發明係應用於N-I-N型或P-I-N型之紅外線感測陣列裝置，因此本發明之紅外線感測裝置所設置之紅外線吸收層可為N-I-N型或P-I-N型之量子結構，亦即紅外線吸收層之上與下層均為N型高摻雜接觸層，其中間夾著紅外線吸收本質層I，乃為一N型弱摻雜層與一能障層之周期性排列設置，或紅外線吸收層之上與下層分別為N型與P型高摻雜接觸層，其中間夾著紅外線吸收本質層I，乃為一N或P型弱摻雜層與一能障層之周期性排列設置。
　請參閱第一圖，其為本發明之一較佳實施例之單一畫素結構之側視圖。如圖所示，本發明之具讀出電路之紅外線感測陣列裝置10係包含一感測單元20、一讀出電路（Readout circuit）40與一切換控制單元(圖未示)，感測單元20係設有一透明基板22、一共地接觸層24、一第一紅外線吸收本質層202、一第一接觸層26、一第二紅外線吸收本質層204、一第二接觸層28、一第一電極30、一第二電極32與一控制電極34，共地接觸層24設置於透明基板22上，第一接觸層26設置於第一紅外線吸收本質層202上，第二接觸層28設置於第二紅外線吸收本質層204上，第一電極30設置於共地接觸層24上，第二電極32設置於第一接觸層26上，控制電極34設置於第二接觸層28上。
　本實施例之透明基板22可為半絕緣基板或N型摻雜基板，且本實施例之透明基板22的材料係選自於砷化鎵（CaAs）、磷化銦（InP）、三氧化二鋁（Al2O3）、矽（Si）、碳化矽（SiC）或上述之組合。第一電極30、第二電極32與控制電極34係依據共地接觸層24、第一接觸層26與第二接觸層28而為對應之N型電極或P型電極，其中N型電極之材料係選自於鈀（Pd）、鉻（Cr）、金鍺合金（Au/Ge）、金（Au）或上述之組合，P型電極之材料為選自於鈀（Pd）、鉻（Cr）、金鈹合金（Au/Be）、鋅（Zn）、金（Au）或上述之組合。此外，本實施例為較佳設置，第一電極30、第二電極32與控制電極34之兩側分別設置一第一絕緣層36，以避免電極漏電之虞。
　本實施例之讀出電路40為一積體電路，亦即一讀出積體電路（Readout Integrated Circuit），其設置有一共用電極42與一輸入電極44，共用電極42係耦接第一電極30，輸入電極44係耦接第二電極32，感測單元20與讀出電路40分別第一電極30與共用電極44耦接至接地電位，讀出電路40經由輸入電極44與第二電極32讀取感測單元20依據感測結果所產生之輸出訊號，此外，本實施例較佳設置，讀出電路40更包含複數第二絕緣層46，期分別設置於共用電極42與輸入電極44之兩側。切換控制單元係依據不同控制訊號控制感測單元20感測不同波長之紅外線，本實施例之切換控制單元係以一第一組電壓訊號控制感測單元20切換為感測一第一波長之紅外線，以及一第二組電壓訊號控制感測單元20切換為感測一第二波長之紅外線，讀出電路40經輸入電極44與第二電極32從感測單元20讀取出對應第一波長之一第一輸出訊號以及對應第二波長之一第二輸出訊號，且因讀出電路40經由單一輸入電極44即可讀取對應不同紅外線波長的輸出訊號，與第三組電壓訊號控制感測單元20切換為同時感測一第一及第二波長之紅外線，讀出電路40經輸入電極44與第二電極32從感測單元20讀取出對應第一波長之一第一輸出訊號以及對應第二波長之一第二輸出訊號，且因讀出電路40經由單一輸入電極44即可讀取對應不同紅外線波長的同時訊號輸出。如此本發明僅利用單一輸入電極讀取單一輸出訊號之讀出電路即可讀取對應不同紅外線波長的輸出訊號，所以本發明可簡化讀出電路40之電路，進而減少紅外線感測陣列裝置10之耦接讀取電路使用面積，且因本發明之讀出電路40僅利用單一輸入電極即可讀取對應不同紅外線波長之輸出訊號，所以本發明之讀出電路40經簡化可使紅外線感測陣列裝置10之消耗功率降低。
　詳細實施例中之紅外線感測陣列裝置10之驅動狀態如下表一所示，若要感測單元20藉由電壓訊號控制，使其處於正常驅動狀態，且能使波長訊號有效注入讀出電路40之輸入電極44內，而能得到個別波長訊號注入、或兩波長訊號同時注入、或快速交錯電壓訊號控制造成視覺暫留之兩波長訊號分別注入等方式。第一電極 30為共地極，若要訊號有效經由第二電極與輸入電極44注入訊號至讀出電路40，必須致使第二電極32與其他欲注入電極間(可為第一電極30或控制電極34)保持負極性，在此同時不欲訊號注入之任一電極與第二電極間需保持同一電壓訊號，以確保不欲注入的訊號不干擾到欲注入之訊號而導致訊號漏失。

　此外，本實施例之感測單元20可為N-I-N型感測單元、P-I-N型感測單元或具量子結構之感測單元，當感測單元20為N-I-N型感測單元時，共地接觸層24、第一接觸層26與第二接觸層28為N型摻雜半導體層，且第一接觸層26與第二接觸層28可具相同或不同摻雜濃度，而接觸層24之摻雜濃度係可不同於第一接觸層26與第二接觸層28，或與第一接觸層26與第二接觸層28之其中之一者相同；當感測單元20為P-I-N型感測單元時，共地接觸層24與第二接觸層28為N型摻雜半導體層，第一接觸層26為P型摻雜半導體層，且第一接觸層26與第二接觸層28具相同或不同之摻雜濃度，而共地接觸層24之摻雜濃度係可不同於第一接觸層26與第二接觸層28，或與第一接觸層26與第二接觸層28之其中之一者相同；當感測單元20為具量子結構之感測單元時，共地接觸層24、第一接觸層26與第二接觸層28之間所夾的第一紅外線吸收本質層202與第二紅外線吸收本質層204為量子井結構或量子點結構。
　本實施例之紅外線感測陣列裝置10除了包含上述之元件，更包含一第一金屬凸塊102與一第二金屬凸塊104，第一金屬凸塊102設置於該第一電極30與該共用電極42之間，並耦接該第一電極30與該共用電極42，第二金屬凸塊104設置於該第二電極32與該輸入電極44之間，並耦接該第二電極32與該輸入電極44。
　請參閱第二圖，其為本發明之另一較佳實施例之方塊圖。如圖所示，本發明之一紅外線感測陣列模組50係包含一感測平面52、一欄控制單元54、一列控制單元56與一切換控制單元58，其中感測平面52係設置複數感測單元20與複數讀出電路40，欄控制單元54與列控制單元56係分別連接感測平面52，以分別對感測平面52之欄與列進行控制，切換控制單元58係耦接該些感測單元20之控制電極34（如第一圖所示），切換控制單元58係依據不同控制訊號控制該些感測單元20感測不同波長之紅外線，使感測平面52藉由該些讀出電路40輸出不同波長之紅外線影像（即熱影像），由於切換控制單元58控制該些感測單元20切換感測波長之切換間隔極短，且感測平面52感測熱影像為每秒24張以上之影像擷取率，所以感測平面52所輸出之不同波長之紅外線影像可顯示於畫面上，並使人眼達到視覺暫留之效果，而讓觀察紅外線影像之使用者同時觀察不同波長之紅外線影像。
　綜上所述，本發明具讀出電路之紅外線感測裝置係利用不同控制訊號控制感測單元感測不同波長之紅外線，對應產生不同輸出訊號，如此讀出電路即可利用單一輸入端讀取對應不同紅外線波長之輸出訊號，卻不需增加讀出電路之輸入端，所以本發明可相對減少讀出電路之使用面積，進而減少紅外線感測裝置之電路使用面積與製程整合複雜度。
　故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出新型專利申請，祈鈞局早日賜准專利，至感為禱。
　惟以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧紅外線感測陣列裝置
102‧‧‧第一金屬凸塊
104‧‧‧第二金屬凸塊
20‧‧‧感測單元
22‧‧‧透明基板
202‧‧‧第一紅外線吸收本質層
204‧‧‧第二紅外線吸收本質層
24‧‧‧共地接觸層
26‧‧‧第一接觸層
28‧‧‧第二接觸層
30‧‧‧第一電極
32‧‧‧第二電極
34‧‧‧控制電極
36‧‧‧第一絕緣層
40‧‧‧讀出電路
42‧‧‧共用電極
44‧‧‧輸入電極
46‧‧‧第二絕緣層
50‧‧‧感測陣列模組
52‧‧‧感測平面
54‧‧‧欄控制單元
56‧‧‧列控制單元
58‧‧‧切換控制單元

第一圖係本發明之一較佳實施例之單一畫素結構之側視圖；以及
第二圖係本發明之另一較佳實施例之方塊圖。

10‧‧‧紅外線感測陣列裝置裝置

102‧‧‧第一金屬凸塊

104‧‧‧第二金屬凸塊

20‧‧‧感測單元

22‧‧‧透明基板

202‧‧‧第一紅外線吸收本質層

204‧‧‧第二紅外線吸收本質層

24‧‧‧共地接觸層

26‧‧‧第一接觸層

28‧‧‧第二接觸層

30‧‧‧第一電極

32‧‧‧第二電極

34‧‧‧控制電極

40‧‧‧讀出電路

42‧‧‧共用電極

44‧‧‧輸入電極

Claims

一種具讀出電路之紅外線感測陣列裝置，其包含：一感測單元，其感測一紅外線，該感測單元設有一控制電極、一第一電極與一第二電極；一切換控制單元，其耦接該感測單元，該切換控制單元依據一第一組控制訊號控制該感測單元感測該紅外線之一第一波長、依據一第二組控制訊號控制該感測單元感測該紅外線之一第二波長，與依據一第三組控制訊號控制該感測單元感測該紅外線之該第一波長與該第二波長，該感測單元經該控制電極與該第一電極接收該第一組控制訊號，該感測單元經該控制電極與該第二電極接收該第二組控制訊號，該感測單元經該第一電極與該第二電極接收該第三組控制訊號，該感測單元依據該第一組控制訊號輸出一第一組輸出訊號，該感測單元依據該第二組控制訊號輸出一第二組輸出訊號，該感測單元依據該第三組控制訊號輸出第三組輸出訊號，該第一組輸出訊號對應於該第一波長，該第二組輸出訊號對應於該第二波長與第三組輸出訊號對應於該第一波長與第二波長；以及一讀出電路(readout circuit)，其耦接該感測單元，該讀出電路讀取該感測單元之該第一組輸出訊號、該第二組輸出訊號與該第三組輸出訊號。
如申請專利範圍第1項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該感測單元包含：一透明基板；一共地接觸層，其設置於該透明基板上；一第一紅外線吸收本質層，其設置於該部分共地接觸層上；一第一接觸層，其設置於該第一紅外線吸收本質層上；一第二紅外線吸收本質層，其設置於該部分第一接觸層上一第二接觸層，其設置於該第二紅外線吸收本質層上；該第一電極，其設置於該共地接觸層上，並耦接該讀出電路之一共用端；該第二電極，其設置於該第一接觸層上，並耦接該讀出電路之一輸入端；以及該控制電極，其設置於該第二接觸層上，並耦接該切換控制單元。
如申請專利範圍第2項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該讀出電路設置一共用電極與一輸入電極，該共用電極耦接該第一電極，該輸入電極耦接該第二電極，該讀出電路經由該輸入電極與該第二電極讀取該感測單元之該第一輸出訊號與該第二輸出訊號。
如申請專利範圍第3項所述之紅外線感測陣列裝置，更包含：一第一金屬凸塊，其設置於該第一電極與該共用電極之間，並耦接該第一電極與該共用電極；以及一第二金屬凸塊，其設置於該第二電極與該輸入電極之間，並耦接該第二電極與該輸入電極。
如申請專利範圍第4項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該第一金屬凸塊與該第二金屬凸塊為選自於銦(In)。
如申請專利範圍第2項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該接觸層、該第一紅外線吸收層與該第二紅外線吸收層為N型摻雜半導體層。
如申請專利範圍第2項所述之紅外線感測陣列裝置，其中為P-I-N型感測單元時，共地接觸層與第二接觸層為N型摻雜半導體層，第一接觸層為P型摻雜半導體層。
如申請專利範圍第2項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該紅外線吸收本質層為一量子井結構或一量子點結構。
如申請專利範圍第2項所述之紅外線感測陣列裝置，其中為N-I-N型感測單元時，共地接觸層、第一接觸層與第二接觸層為N型摻雜半導體層。
如申請專利範圍第2項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該第二接觸層為一N型摻雜半導體層或一P型摻雜半導體層。
如申請專利範圍第2項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該第一電極與該第二電極為N型電極。
如申請專利範圍第11項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該N型電極之材料為選自於鈀(Pd)、鉻(Cr)、金鍺合金(Au/Ge)、金(Au)或上述之組合。
如申請專利範圍第2項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該第一電極為N型電極與該第二電極為P型或N型電極。
如申請專利範圍第13項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該N型電極之材料為選自於鈀(Pd)、鉻(Cr)、金鍺合金(Au/Ge)、金(Au)或上述之組合。
如申請專利範圍第13項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該P型電極之材料為選自於鈀(Pd)、鉻(Cr)、金鈹合金(Au/Be)、鋅(Zn)、金(Au)或上述之組合。
如申請專利範圍第1項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該第一控制訊號與該第二控制訊號為電壓訊號。
如申請專利範圍第1項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該透明基板之材料係選自於砷化鎵(CaAs)、磷化銦(InP)、三氧化二鋁(Al2O3)、矽(Si)、碳化矽(SiC)或上述之組合。
如申請專利範圍第1項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該透明基板為一半絕緣基板或一N型摻雜基板。
如申請專利範圍第1項所述之紅外線感測陣列裝置，其中該讀出電路為一積體電路。