TWI773225B

TWI773225B - 感光裝置

Info

Publication number: TWI773225B
Application number: TW110111663A
Authority: TW
Inventors: 童子謙; 郭俊宏
Original assignee: 友達光電股份有限公司
Priority date: 2020-08-17
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-08-01
Also published as: TW202209166A; TWI753775B; TWI754532B; TWI812938B; TW202209655A; TW202209656A; TWI752802B; TW202209081A; TWI746375B; TW202209080A; TW202209073A; TW202209180A; TWI756056B

Abstract

一種感光裝置包括感測電路、第一電極、多個第一感光圖案、介電層、第二電極、間隔層、遮光層及至少一微透鏡。第一電極電性連接至感測電路的第一端。多個第一感光圖案彼此分離且設置於第一電極上。多個第一感光圖案的多個第一面電性連接至第一電極。介電層設置於多個第一感光圖案上。第二電極設置於介電層上且透過介電層的多個第一接觸窗電性連接至多個第一感光圖案的多個第二面。間隔層設置於第二電極上。遮光層設置於間隔層上。至少一微透鏡設置於遮光層的上方。

Description

感光裝置

本發明是有關於一種感光裝置。

指紋是最佳的生物辨識密碼，具有獨特性。隨著設備與辨識技術的成熟及普遍，除了居家防護的進出管制、個人證件、付款時的身分認證，或是需要高度管制進出的場所外，近年來，指紋感測裝置更常見於各種行動裝置中。

傳統的指紋感測裝置係利用背光源做為感測光源。背光源發出的光束穿透指紋感測器而達到手指。由於手指指紋的波峰及波谷具有不同的反射率，被手指指紋之波峰及波谷反射的光束會在位於指紋感測器多處的多個感測元件上會造成大小不同的多個光電流，進而使感測電路讀出大小不同的多個感測電壓。藉由分別對應指紋感測器多處的多個感測電壓便能取得指紋影像資訊，以進行指紋辨識。

本發明提供一種感光裝置，性能佳。

本發明的感光裝置，包括基板、感測電路、第一電極、多個第一感光圖案、介電層、第二電極、間隔層、遮光層以及至少一微透鏡。感測電路設置於基板上，且具有第一端及第二端。第一電極設置於基板上，且電性連接至感測電路的第一端。多個第一感光圖案彼此分離且設置於第一電極上，其中每一第一感光圖案具有第一面及第二面，且多個第一感光圖案的多個第一面電性連接至第一電極。介電層設置於多個第一感光圖案上，且具有多個第一接觸窗。第二電極設置於介電層上，且透過介電層的多個第一接觸窗電性連接至多個第一感光圖案的多個第二面。間隔層設置於第二電極上。遮光層設置於間隔層上，且具有分別對應多個第一感光圖案的多個透光開口。至少一微透鏡設置於遮光層的上方，且與遮光層的多個透光開口重疊。

10、10A、10B、10C:感光裝置

110:基板

120:元件層

130:層間介電層

140:導電層

142:第一電極

142a、144a、172:第一部

144:第三電極

150:感光層

152:第一感光圖案

152a、154a:第一面

152b、154b:第二面

154:第二感光圖案

160:介電層

162:第一接觸窗

164:第二接觸窗

170:第二電極

174:第二部

180、200、220:間隔層

190、210、230:遮光層

190a、210a、230a:透光開口

240:微透鏡

C₁、C₂:電容

FPS:工作電路

FPS_PX:像素電路

FPS_RST:重置電路

FPS_LD:主動負載電路

FPS_ZSW:畫面分區電路

L:光束

P1:第一端

P2:第二端

PD:感光元件

PD1:第一感測結構

PD2:第二感測結構

RST:重置訊號

SR_R:讀取電壓

SR_W:工作電壓

S_out:感測輸出訊號

T1:第一電晶體

T1a、T2a、T3a、T4a、T5a:第一端

T1b、T2b、T3b、T4b、T5b:第二端

T1c、T2c、T3c、T4c、T5c:控制端

T2:第二電晶體

T3:重置電晶體

T4:負載電晶體

T5:選擇電晶體

VSS、Res_VSS、Vb_VSS:參考電壓

Vb:偏壓

VDD:電源電壓

ZSW:多工訊號

I-I’、II-II’:剖線

圖1為本發明一實施例之感光裝置10的等效電路示意圖。

圖2為本發明一實施例之感光裝置10的感光元件PD的上視示意圖。

圖3為本發明一實施例之感光裝置10的剖面示意圖。

圖4示出圖2之感光元件PD的多個第一感測結構PD1的多個電容C₁。

圖5為本發明一實施例之感光裝置10A的感光元件PD的上視示意圖。

圖6為本發明一實施例之感光裝置10A的剖面示意圖。

圖7示出圖5之感光元件PD的多個第一感測結構PD1的多個電容C₁及多個第二感測結構PD2的多個電容C₂。

圖8為本發明一實施例之感光裝置10B的感光元件PD的上視示意圖。

圖9示出圖8之感光元件PD的多個第一感測結構PD1的多個電容C₁及多個第二感測結構PD2的多個電容C₂。

圖10為本發明一實施例之感光裝置10C的感光元件PD的上視示意圖。

圖11示出圖10之感光元件PD的多個第一感測結構PD1的多個電容C₁及多個第二感測結構PD2的多個電容C₂。

現將詳細地參考本發明的示範性實施例，示範性實施例的實例說明於附圖中。只要有可能，相同元件符號在圖式和描述中用來表示相同或相似部分。

應當理解，當諸如層、膜、區域或基板的元件被稱為在另一元件“上”或“連接到”另一元件時，其可以直接在另一元件上或與另一元件連接，或者中間元件可以也存在。相反，當元件被稱為“直接在另一元件上”或“直接連接到”另一元件時，不存在中間元件。如本文所使用的，“連接”可以指物理及/或電性連接。再者，“電性連接”或“耦合”可以是二元件間存在其它元件。

本文使用的“約”、“近似”、或“實質上”包括所述值和在本領域普通技術人員確定的特定值的可接受的偏差範圍內的平均值，考慮到所討論的測量和與測量相關的誤差的特定數量(即，測量系統的限制)。例如，“約”可以表示在所述值的一個或多個標準偏差內，或±30%、±20%、±10%、±5%內。再者，本文使用的“約”、“近似”或“實質上”可依光學性質、蝕刻性質或其它性質，來選擇較可接受的偏差範圍或標準偏差，而可不用一個標準偏差適用全部性質。

除非另有定義，本文使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的相同的含義。將進一步理解的是，諸如在通常使用的字典中定義的那些術語應當被解釋為具有與它們在相關技術和本發明的上下文中的含義一致的含義，並且將不被解釋為理想化的或過度正式的意義，除非本文中明確地這樣定義。

圖1為本發明一實施例之感光裝置10的等效電路示意圖。

圖3為本發明一實施例之感光裝置10的剖面示意圖。圖3對應圖2的剖線I-I’。

圖4示出圖2之感光元件PD的多個第一感測結構PD1 的多個電容C₁。

請參照圖3，感光裝置10包括基板110，用以承載感光裝置10的其它構件。在本實施例中，基板110的材質可以是玻璃。然而，本發明不限於此，在其它實施例中，基板110的材質也可以是石英、有機聚合物、不透光/反射材料(例如：晶圓、陶瓷等)、或是其它可適用的材料。

請參照圖1及圖2，感光裝置10更包括工作電路FPS，設置於基板110上，且具有第一端P1及第二端P2。在本實施例中，感光裝置10用以感測被手指指紋反射的光束L(繪示於圖3)，而工作電路FPS也可稱指紋辨識電路。

請參照圖1，舉例而言，在本實施例中，工作電路FPS可包括像素電路FPS_PX、重置電路FPS_RST、主動負載電路FPS_LD及畫面分區電路(Zone-switch circuit)FPS_ZSW。

在本實施例中，像素電路FPS_PX可包括第一電晶體T1、第二電晶體T2、用以提供參考電壓VSS的一第一參考電壓線(未繪示)、用以提供讀取電壓SR_R的一感測掃描線(未繪示)、用以提供電源電壓VDD的一電源供應線(未繪示)、用以提供工作電壓SR_W的一訊號線和用以傳遞感測輸出訊號S_out的一讀出線(未繪示)，其中第一電晶體T1的第一端T1a電性連接至用以提供參考電壓VSS的第一參考電壓線，第一電晶體T1的控制端T1c電性連接至用以提供讀取電壓SR_R的感測掃描線，第一電晶體T1的第二端T1b電性連接至第二電晶體T2的控制端 T2c及感光元件PD，第二電晶體T2的第一端T2a電性連接至用以提供電源電壓VDD的電源供應線，且第二電晶體T2的第二端T2b電性連接至用以傳遞讀出訊號S_out的讀出線(未繪示)。

在本實施例中，重置電路FPS_RST可包括一重置電晶體T3、用以提供重置訊號RST的一重置訊號線(未繪示)和用以提供參考電壓Res_VSS的一第二參考電壓線(未繪示)，其中重置電晶體T3的第一端T3a電性連接至用以提供參考電壓Res_VSS的第二參考電壓線，重置電晶體T3的控制端T3c電性連接至用以提供重置訊號RST的重置訊號線，且重置電晶體T3的第二端T3b電性連接至用以傳遞讀出訊號S_out的讀出線(未繪示)。

在本實施例中，主動負載電路FPS_LD可包括用以形成電阻的一負載電晶體T4、用以提供偏壓Vb的一偏壓訊號線(未繪示)及用以提供參考電壓Vb_VSS的一第三參考電壓線(未繪示)，其中負載電晶體T4的第一端T4a電性連接至用以提供參考電壓Vb_VSS的第三參考電壓線，負載電晶體T4的控制端T4c電性連接至用以提供偏壓Vb的偏壓訊號線，且負載電晶體T4的第二端T4b電性連接至用以傳遞讀出訊號S_out的讀出線(未繪示)。

在本實施例中，畫面分區電路FPS_ZSW可包括選擇電晶體T5、一選擇線(未繪示)及一匯流線(未繪示)，其中選擇電晶體T5的控制端T5c電性連接至用以提供多工訊號ZSW的選擇線，選擇電晶體T5的第二端T5b電性連接至用以傳遞讀出訊號S_out的讀出線(未繪示)，且選擇電晶體T5的第一端T5a電性連接匯流線。

須說明的是，上述之感光裝置10的工作電路FPS的型式僅是用以說明本發明而非用以限制本發明，在其它實施例中，工作電路FPS也可以是其它型式。

請參照圖1及圖2，工作電路FPS的第一端P1電性連接至用以提供參考電壓VSS的第一參考電壓線(未繪示)，且工作電路FPS的第二端P2電性連接至用以提供工作電壓SR_W的訊號線(未繪示)。請參照圖1，舉例而言，在本實施例中，工作電路FPS的第一端P1可指直接電性連接至第一電晶體T1之第二端T1b及第二電晶體T2之控制端T2c的一處，工作電路FPS的第二端P2可指直接電性連接至用以提供工作電壓SR_W之訊號線的一處，但本發明不以此為限。

請參照圖1、圖2及圖3，感光裝置10更包括一感光元件PD，電性連接至工作電路FPS。請參照圖2及圖3，感光元件PD包括第一電極142、多個第一感光圖案152、介電層160及第二電極170，其中第一電極142設置於基板110上且電性連接至工作電路FPS(繪於圖1)的第一端P1，多個第一感光圖案152彼此分離且設置於第一電極142上，每一第一感光圖案152具有一第一面152a及一第二面152b，多個第一感光圖案152的多個第一面152a電性連接至第一電極142，介電層160設置於多個第一感光圖案152上且具有多個第一接觸窗162，第二電極170設置於介電層160上且透過介電層160的多個第一接觸窗162電性連接至多個第一感光圖案152的多個第二面152b。

請參照圖3，在本實施例中，感光元件PD的第一電極142設置於第一感光圖案152的背面(即第一面152a)下，而第一電極142可為反射電極。舉例來說，在本實施例中，第一電極142的材質可包括金屬，例如：鉻、金、銀、銅、錫、鉛、鉿、鎢、鉬、釹、鈦、鉭、鋁、鋅等，但本發明不以此為限。

在本實施例中，第一感光圖案152的材料可包括富矽氧化物(silicon-rich oxide；SRO)，但本發明不以此為限。

介電層160又可稱為平坦層。在本實施例中，介電層160的材料可為無機材料(例如：氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或上述至少二種材料的堆疊層)、有機材料或上述之組合。

在本實施例中，感光元件PD的第二電極170設置於第一感光圖案152的受光面(即第二面152b)上，而第二電極170為透光電極。舉例來說，在本實施例中，第二電極170的材質可包括金屬氧化物，例如：銦錫氧化物、銦鋅氧化物、鋁錫氧化物、鋁鋅氧化物、銦鍺鋅氧化物、其它合適的氧化物、或者是上述至少二者的堆疊層，但本發明不以此為限。

請參照圖3，在本實施例中，感測裝置10包括元件層120及層間介電層130，其中元件層120、層間介電層130及第一電極142所屬的導電層140依序堆疊於基板110上。請參照圖1 及圖3，在本實施例中，工作電路FPS可選擇性地形成在元件層120、層間介電層130及第一電極142所屬的導電層140之中。然而，本發明不以此為限，根據其它實施例，工作電路FPS也可形成在其它膜層中。本發明並不限制用以形成工作電路FPS的膜層及其位置。

請參照圖3，感光裝置10更包括間隔層180、遮光層190及至少一微透鏡240。間隔層180設置於第二電極170上。遮光層190設置於間隔層180上，且具有分別對應多個第一感光圖案152的多個透光開口190a。至少一微透鏡240設置於遮光層190的上方，且與遮光層190的多個透光開口190a重疊。

舉例而言，在本實施例中，感光裝置10可包括多個微透鏡240，且每一微透鏡240可與對應的一個透光開口190a重疊。然而，本發明不限於此，根據其它實施例，一微透鏡240也可重疊於多個透光開口190a。

此外，在本實施例中，感光裝置10還可選擇性地包括其它間隔層200、220及其它遮光層210、230，其中多個間隔層180、200、220與多個遮光層190、210、230交替地堆疊於感光元件PD上，遮光層210、230也具有多個透光開口210a、230a，且遮光層190、210、230的多個透光開口190a、210a、230a相重疊，以形成多個光通道。多個間隔層180、200、220及多個遮光層190、210、230可視為感光裝置10的一光準直器，用以降低具有大入射角度的光束L進入感光元件PD的機率，進而提升取像品質。

請參照圖1、圖2及圖3，在本實施例中，感光元件PD的第二電極170可電性連接至工作電路FPS的第二端P2。

請參照圖2及圖3，在本實施例中，第一電極142具有多個第一部142a，第二電極170具有多個第一部172，第一電極142的多個第一部142a、第二電極170的多個第一部172及多個第一感光圖案152形成多個第一感測結構PD1，每一第一感測結構PD1包括依序堆疊之第一電極142的一第一部142a、一第一感光圖案152及第二電極170的一第一部172。第一電極142的多個第一部142a係直接連接且具有相同的電位。第二電極170的多個第一部172係直接連接且具有相同的電位。換言之，感光元件PD的多個第一感測結構PD1係並聯。

請參照圖2、圖3及圖4，在本實施例中，感光元件PD可由數量為n的多個第一感測結構PD1並聯而成，其中n為大於或等於2的正整數。每一第一感測結構PD1的電容為C₁，而感光元件PD的等效電容實質上等於nC₁。

舉例而言，在本實施例中，感光元件PD之多個第一感測結構PD1的數量為8(即n=8)，而感光元件PD的等效電容實質上等於8C₁。須說明的是，本發明並不限制感光元件PD所包括之多個第一感測結構PD1的數量必為8；在其它實施例中，感光元件PD也可包括其它數量的多個第一感測結構PD1。

值得注意的是，在本實施例中，用以接收光束L的多個第一感光圖案152係彼此分離；也就是說，感光元件PD的感光層150保留接收光束L的受光區及其附近的製程變異區而移除其它區域。藉此，感光元件PD之受光面積與感光元件PD之等效電容的比值可增加，進而能提升感光裝置10的光靈敏度。

在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重述。

圖6為本發明一實施例之感光裝置10A的剖面示意圖。圖6對應圖5的剖線II-II’。

本實施例的感光裝置10A與上述的感光裝置10類似，兩者的差異在於：感光裝置10A的感光元件PD與感光裝置10的感光元件PD不同。

請參照圖5及圖6，類似地，在本實施例中，第一電極142電性連接至工作電路FPS(可參考圖1)的第一端P1，第一電極142具有多個第一部142a，第二電極170具有多個第一部172；第一電極142的多個第一部142a、第二電極170的多個第一部172及多個第一感光圖案152形成多個第一感測結構PD1；每一第一感測結構PD1包括依序堆疊之第一電極142的一第一部142a、一第一感光圖案152及第二電極170的一第一部172。第一電極142的多個第一部142a係直接連接且具有相同的電位。第二電極170的多個第一部172係直接連接且具有相同的電位。換言之，感光元件PD的多個第一感測結構PD1係並聯。

與上述感光裝置10不同的是，在本實施例中，感光裝置10A的感光元件PD更包括第三電極144及多個第二感光圖案154。第三電極144設置於基板110上且與第一電極142分離。第三電極144電性連接至工作電路FPS(可參考圖1)的第二端P2。多個第二感光圖案154彼此分離且設置於第三電極144上。每一第二感光圖案154具有一第一面154a及一第二面154b。多個第二感光圖案154的多個第一面154a電性連接至第三電極144。介電層160更設置於多個第二感光圖案154上，且更具有多個第二接觸窗164。第二電極170更透過介電層160的多個第二接觸窗164電性連接至多個第二感光圖案154的多個第二面154b。

在本實施例中，第三電極144具有多個第一部144a，第二電極170更具有多個第二部174；第三電極144的多個第一部144a、第二電極170的多個第二部174及多個第二感光圖案154形成多個第二感測結構PD2。每一第二感測結構PD2包括依序堆疊之第三電極144的一第一部144a、一第二感光圖案154及第二電極170的一第二部174。第三電極144的多個第一部144a係直接連接且具有相同的電位。第二電極170的多個第二部174係直接連接且具有相同的電位。換言之，感光元件PD的多個第二感測結構PD2係並聯。

請參照圖5、圖6及圖7，多個第一感測結構PD1之第一電極142的多個第一部142a電性連接至工作電路FPS(可參考圖1)的第一端P1，多個第一感測結構PD1之第二電極170的多個第一部172及多個第二部174係直接連接且具有相同的電位，多個第二感測結構PD2之第三電極144的多個第一部144a電性連接至工作電路FPS(可參考圖1)的第二端P2。換言之，彼此並聯的多個第一感測結構PD1與彼此並聯的多個第二感測結構PD2係串聯。

在本實施例中，感光元件PD由數量為p的多個第一感測結構PD1及數量為q的多個第二感測結構PD2所組成，其中多個第一感測結構PD1彼此並聯，多個第二感測結構PD2彼此並聯，多個第一感測結構PD1與多個第二感測結構PD2串聯，p為大於或等於2的正整數，且q為大於或等於2的正整數。

在本實施例中，感光元件PD的等效電容實質上等於1/[(1/pC₁)+(1/qC₂)]，其中每一第一感測結構PD1的電容為C₁，且每一第二感測結構PD2的電容為C₂。

舉例而言，在本實施例中，感光元件PD之多個第一感測結構PD1的數量為4(即p=4)，感光元件PD之多個第二感測結構PD2的數量為4(即q=4)，C₁=C₂，而感光元件PD的等效電容實質上等於2C₁。

值得一提的是，在本實施例中，透過將彼此並聯的多個第一感測結構PD1及彼此並聯的多個第二感測結構PD2串聯在一起，感光元件PD的等效電容可更進一步降低，而顯著地提升感測裝置10A的光靈敏度。

另外，在本實施例中，感光元件PD之多個第一感測結構PD1的數量與多個第二感測結構PD2的數量可相同。然而，本發明不限於此，在其它實施例中，感光元件PD之多個第一感測結構PD1的數量與多個第二感測結構PD2的數量也不同，以下配合圖8、圖9、圖10及圖11舉例說明之。

本實施例的感光裝置10B與上述的感光裝置10A類似，兩者的差異在於：感光裝置10B的感光元件PD之多個第一感測結構PD1的數量與多個第二感測結構PD2的數量不同。

請參照圖8及圖9，具體而言，在本實施例中，感光元件PD之多個第一感測結構PD1的數量可大於多個第二感測結構PD2的數量。舉例而言，在本實施例中，感光元件PD之多個第一感測結構PD1的數量為5，感光元件PD之多個第二感測結構PD2的數量為2，每一第一感測結構PD1的電容為C₁，每一第二感測結構PD2的電容為C₂，C₁=C₂，而感光元件PD的等效電容實質上等於1.875 C₁。

值得一提的是，第一感測結構PD1與第二感測結構PD2具有不同的電性(例如：兩者之電壓對暗電流的特性曲線不同)，透過調整感光元件PD之多個第一感測結構PD1的數量及多個第二感測結構PD2的數量，能改變感光元件PD的光電特性，而更符合實際需求。

本實施例的感光裝置10C與上述的感光裝置10A類似，兩者的差異在於：感光裝置10C的感光元件PD之多個第一感測結構PD1的數量與多個第二感測結構PD2的數量不同。

請參照圖10及圖11，具體而言，在本實施例中，感光元件PD之多個第一感測結構PD1的數量可小於多個第二感測結構PD2的數量。舉例而言，在本實施例中，感光元件PD之多個第一感測結構PD1的數量為2，感光元件PD之多個第二感測結構PD2的數量為6，每一第一感測結構PD1的電容為C₁，每一第二感測結構PD2的電容為C₂，C₁=C₂，而感光元件PD的等效電容實質上等於1.5 C₁。

10:感光裝置