TWI833846B - 光學感測模組 - Google Patents

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張永富
李世昌
許嘉良
蕭翊
廖文祿
施宏志
劉美君
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晶元光電股份有限公司
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Abstract

本發明之一實施例揭露一種光學感測模組，包含承載體、光發射元件、光接收元件。光發射元件位於該承載體上。光接收元件位於該承載體上且包含III-V族半導體材料。光接收元件具有吸光面以及最大量子效率的接收波長。光接收元件的最大量子效率與吸光面的面積比值≧13(%/mm2)。

Description

光學感測模組
本發明係關於一種光學感測模組的結構設計，尤關於一種應用於測量血液中生理訊號的非侵入式光學感測模組。
隨著現代快節奏的生活，人們對於隨時監測各項代表身體健康的各項指數的需求日趨渴望。一方面可以用於疾病的及早發現及早治療，另一方面也可用於運動時身體狀況的監測。
多種生理訊號，例如：心律、血氧、血糖、血壓...等，可以藉由非侵入式反射式的光學感測模組靠近皮膚表面，使特定波長的量測光照射皮膚，量測光穿透皮膚至體內的細胞以及血管，經過部份吸收、部分散射、與反射，光學感測模組即可接收到返回的量測光，藉由量測與分析此返回的光訊號強度，可以獲得具有健康意義的生理指數。然而當人體在活動或是運動時，光光學感測模組與皮膚的相對位置或是距離皆會不停的改變，此會造成訊號的不穩定而產生不準確的結果。因此，若光學感測模組內的光接收元件具有高檢測極限、以及高訊雜比的特性即可以加強光學感測模組獲得生理訊號的準確度以及穩定性。
本發明公開了提供一種具有高訊雜比以及高檢測極限的光學感測模組。
本發明之一實施例揭露一種光學感測模組，包含承載體、光發射元件、光接收元件。光發射元件位於該承載體上。光接收元件位於該承載體上且包含III-V族半導體材料。光接收元件具有吸光面、接收波段以及波長大於接收波段的非接收波段。光接收元件在接收波段中的最大量子效率與吸光面的面積比值≧13(%/mm2)。
1:穿戴裝置
100、101、102、103、200、201、202、203、204:光學感測模組
205、206A、206B、207A、207B、208A、208B:光學感測模組
401、400、601、602、603、604、605、701、702:光學感測模組
111、711:第一光發射元件
112、712:第二光發射元件
113、114、115、116、211、214、411、412、611:光發射元件
131、231、431、631:光接收元件
120、220、420、620、720:承載體
121、721:外殼
122、123、722:擋牆
124、724:第一空間
125、725:第二空間
126:第三空間
G:間隔
224:載板
221、621:第一擋牆
222、622:第二擋牆
223、623:第三擋牆
225、226、227’、625、626:空間
212、232:第一側面
213、233:第二側面
241、242:吸光層
243、244:反射層
227、228、229、230、627、628、629、630:內表面
θ1:第一傾斜角
θ2:第二傾斜角
2211、2232:第一外側表面
2212、2221、2222、2231:內表面
2223、2233:第一部分
2224、2234:第二部分
251:第一最外擋牆
252:第二最外擋牆
253:第三最外擋牆
254:第四最外擋牆
2511、2512、2552、2553:左端部分
2521、2522、2572、2573:右端部分
2531、2541、2524、2514、2563、2564:中間部分
2513、2554:最左外表面
2523、2574:最右外表面
2532、2533:上端
2534:最上外表面
2542、2543:下端
2544:最下外表面
255:第一檔牆結構
256:第二檔牆結構
257:第三檔牆結構
2551、2561、2562、2571:一側
2081、624:最下表面
2111、2311、6111、6311:第一電極
2112、2312、6112、6312:第二電極
402:動脈
441:放大器
442:濾波器
443:ADC電路
450:訊號處理模組
451:儲存裝置
452:處理器
460:電流控制電路
501:第一波峰
502:第一波谷
503:第二波峰
504:第二波谷
612:發光表面
613:支撐結構
632:接收表面
641:第一承載面
642:第二承載面
644:連接器件
H1、H2:距離
T:高度
6441、6442:導電通孔
713:第三光發射元件
731:第一光接收元件
732:第二光接收元件
733:第三光接收元件
8、8a、8b、8c、8d、8e:光接收元件
81:第一半導體疊層
81a:第二半導體疊層
81b:第三半導體疊層
811:第一型半導體結構
812:第二型半導體結構
813:活性區
814:緩衝層
815:第一阻障層
816:第二阻障層
82:基板
83、83a、83b:第一電極墊
84、84a、84b:第二電極墊
85:接觸層
86:保護層
9:半導體元件
91:第一半導體疊層
911:第一型半導體結構
912:活性區
913:第二型半導體結構
914:第一電極
915:第二電極
92:第二半導體疊層
921:第一型半導體結構
922:活性區
923:第二型半導體結構
924:第一電極
925:第二電極
93:中間結構
931:高傳導層
932:第一屏蔽層
933:第二屏蔽層
S:主要吸光面
S1:第一表面
S2:第二表面
S3:側表面
S31、S32、S33:側壁
T1:幾何中心
T2:邊緣
P1、P2:凸出部
C1、C2、C3:凹陷部
L1:矽半導體層
L2:第一電極墊
L3:第二電極墊
L4:布拉格反射層
B、B1、B2:本體
第1A圖為依據本發明一實施例的光學感測模組之上視圖。
第1B圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之上視圖。
第1C圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之上視圖。
第2A圖為依據本發明一實施例的光學感測模組置於手錶內的示意圖。
第2B圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組置於手錶內的示意圖。
第3A圖為依據本發明一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第3B圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第3C圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第3D圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第3E圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第3F圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第3G圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第3H圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之上視圖。
第3I圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之上視圖。
第3J圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第3K圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之上視圖。
第3L圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第3M圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第4A圖為利用依據本發明一實施例的光學感測模組置於手腕上量測之示意圖。
第4B圖為依據本發明一實施例的光學感測系統電路模塊示意圖。
第5A圖為一光體積變化描記圖(Photoplethysmography；PPG)。
第5B圖為依據本發明實施例的光接收元件與對照組的光接收元件於光學感測系統中的比較表。
第6A圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第6B圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第6C圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第6D圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第6E圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之部分剖面圖。
第7A圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之上視圖。
第7B圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之上視圖。
第8圖為依據本發明一實施例的光接收元件之剖面圖。
第9圖為依據本發明一實施例的光接收元件之上視圖。
第10圖為依據本發明一實施例的光接收元件之簡易立體示意圖。
第11圖為實施例與比較例的光接收元件之波長與反射率的關係圖。
第12A圖為第一比較例的光接收元件之剖面圖。
第12B圖為第二比較例的光接收元件之剖面圖。
第13圖為實施例與比較例的光接收元件之波長與外部量子效率的關係圖。
第14A圖為依據本發明一實施例的光接收元件之簡易立體示意圖。
第14B圖為依據本發明另一實施例之光接收元件之上視圖。
第14C圖為依據本發明另一實施例之光接收元件之簡易立體示意圖。
第14D圖為依據本發明另一實施例之光接收元件之上視圖。
第14E圖為依據本發明另一實施例之光接收元件之簡易立體示意圖。
第14F圖為依據本發明另一實施例之光接收元件之上視圖。
第15A圖為依據本發明另一實施例之光接收元件之簡易立體示意圖。
第15B圖為依據本發明另一實施例之光接收元件之上視圖。
第15C圖為依據本發明另一實施例之光接收元件之簡易立體示意圖。
第15D圖為依據本發明另一實施例之光接收元件之上視圖。
第16圖為依據本發明一實施例的半導體元件之剖面示意圖。
以下實施例將伴隨著圖式說明本發明之概念，在圖式或說明中，相似或相同之部分係使用相同之標號，並且在圖式中，元件之形狀、厚度或高度在合理範圍內可擴大或縮小。本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。
第1A圖顯示本發明一實施例中一光學感測模組100之上視圖。光學感測模組100包含承載體120、光接收元件131、第一光發射元件111、以及第二光發射元件112。承載體120包含外殼121、擋牆122、123用以區隔出第一空間124、第二空間125、以及第三空間126。第一空間124被外殼121與擋牆122圍繞；第三空間126被外殼121與擋牆123圍繞；第二空間125位於第一空間124與第三空間126之間，並且被擋牆122、123以及外殼121圍繞。光接收元件131位於第二空間125中，第一光發射元件111位於第一空間124中，第二光發射元件112位於第三空間126中。第一光發射元件111與第二光發射元件112設置於光接收元件131對稱的左右兩側。光接收元件131與第一光發射元件111或/與第二光發射元件112之間的距離要盡量靠近，當光學感測模組為了量測生理訊號，靠近皮膚照射時，光接收元件131較容易僅收到由第一光發射元件111與第二光發射元件112照射皮膚並反射回來的訊號。光接收元件131與第一光發射元件111或第二光發射元件112之間的間隔G小於或等於1mm。光接收元件131的面積較光發射元件111、112大。第1A圖顯示，光接收元件131、第一光發射元件111、以及第二光發射元件112皆為正方形的外型。光接收元件的尺寸≦100mil×100mil，例如100mil×100mil、80mil×80mil、61mil×105mil、61mil×81mil、47mil×105mil、60mil×60mil、50mil×50mil、45mil×45mil、40mil×40mil。在另一個實施例中，光接收元件的尺寸≦80mil×80mil。光發射元件的尺寸<25mil×25mil，例如20mil×20mil、18mil×18mil、16mil×16mil、14mil×11mil、8mil×8mil。
光接收元件131、光發射元件111、112各自位於分離、隔絕的空間中，因此，可以避免光發射元件111、112發出的光線直接被光接收元件131吸收 到，而產生光發射元件111、112與光接收元件131之間的直接干擾(crosstalk)，進而影響量測的準確度。
第1B圖顯示本發明另一實施例中一光學感測模組101之上視圖。如同光學感測模組100，光學感測模組101包含承載體120、光接收元件131、第一光發射元件111、以及第二光發射元件112。承載體120包含外殼121、擋牆122、123用以區隔出第一空間124、第二空間125、以及第三空間126。光接收元件131位於第二空間125中，第一光發射元件111位於第一空間124中，第二光發射元件112位於第三空間126中。光接收元件131為長方形的外型，第一光發射元件111、以及第二光發射元件112為正方形的外型。第一光發射元件111與第二光發射元件112設置於光接收元件131的長邊方向對稱的左右兩側。
第1C圖顯示本發明另一實施例中一光學感測模組102之上視圖。如同光學感測模組100，光學感測模組102包含承載體120、光接收元件131、第一光發射元件111、以及第二光發射元件112。承載體120包含外殼121、擋牆122、123用以區隔出第一空間124、第二空間125、以及第三空間126。光接收元件131位於第二空間125中，第一光發射元件111位於第一空間124中，第二光發射元件112位於第三空間126中。光接收元件131為長方形的外型，第一光發射元件111、以及第二光發射元件112為正方形的外型。第一光發射元件111與第二光發射元件112設置於光接收元件131的短邊方向的左右兩側，並且可以相對於光接收元件131呈現鏡面對稱。
承載體120的外殼121以及擋牆122、123可以包含聚合物(polymer)或是樹脂(resin)，例如：熱塑型(thermoplastic)塑料或是熱固型(thermosetting)塑料。熱塑型(thermoplastic)塑料包含PPA(polyphthalamide)、PCT (polycyclohexylenedimethylene terephthalate)、ABS(acrylonitrile butadiene styrene)、聚醚醚酮(polyetheretherketone；PEEK)、或其他適合的材料。熱固型(thermosetting)塑料包含EMC(epoxy molding compound)、SMC(silicone molding compound)、或其他適合的材料。選擇性地，外殼與擋牆的材料也可以包含用於擋光的不透光材料進一步降低光發射元件以及光接收元件的干擾。不透光(opaque)材料可以包含吸光材料或是反射材料。
吸光材料的顏色以不易反射光線的深色尤佳，例如黑色、咖啡色、灰色，或其他深色的顏色。吸光的材料可以為雙馬來醯亞胺三氮雜苯樹脂(Bismaleimide Triazine Resin；BT)，表面形成可遮蔽可見光的材料，例如：黑色油墨(BT為淡黃色)、金屬、樹脂、或是石墨。金屬的材料可以為鉻、鎳。樹脂可以為Polyimide(PI)或是壓克力(Acrylate)為主體，再將光吸收材料，例如：碳(carbon)、氧化鈦等，或是深色顏料散佈於樹脂中。吸光的材料也可以包含一基質及光吸收物質之混和物。基質可為矽膠基質(silicone-based)或環氧基質(epoxy-based)。光吸收物質可包含碳(carbon)、氧化鈦等，或是深色顏料。
反射材料包含一基質及高反射率物質之混和物。基質可為矽膠基質(silicone-based)或環氧基質(epoxy-based)。高反射率物質可包含二氧化鈦、二氧化矽、氧化鋁、K2TiO3、ZrO2、ZnS、ZnO、或MgO。
第2A圖顯示，一光學感測模組103置於一穿戴裝置1，例如手錶，內的示意圖。光學感測模組103設置於穿戴裝置1的中心，光學感測模組類似於前述光學感測模組100、101、102，承載體120包含第一空間124、第二空間125、以及第三空間126。第二空間125位於第一空間124與第三空間126之間。第一空間 124中包含有三個光發射元件111、112、113排列成一直線。第三空間126中包含有三個光發射元件114、115、116排列成一直線。第二空間125包含一個光接收元件131。第一空間124、第二空間125、以及第三空間126沿著的第一方向(上下方向)直線排列。第一空間124中的光發射元件111、112、113沿著的第二方向(左右方向)直線排列。第三空間126中的光發射元件114、115、116沿著的第二方向(左右方向)直線排列。第一方向與第二方向不相同，且互相垂直。
第2B圖顯示，一光學感測模組104置於一穿戴裝置1，例如手錶，內的示意圖。光學感測模組104設置於穿戴裝置1的中心或靠近中心的位置，光學感測模組104類似於光學感測模組103，承載體120包含第一空間124、第二空間125、第三空間126、以及第四空間127。第二空間125位於第一空間124與第三空間126之間。第一空間124中包含有三個光發射元件111、112、113排列成一直線。第三空間126中包含有三個光發射元件114、115、116排列成一直線。第二空間125包含一個光接收元件131。第一空間124、第二空間125、以及第三空間126沿著的第一方向(上下方向)直線排列。第一空間124中的光發射元件111、112、113沿著的第二方向(左右方向)直線排列。第三空間126中的光發射元件114、115、116沿著的第二方向(左右方向)直線排列。第一方向與第二方向不相同，例如，第一方向與第二方向互相垂直或不彼此平行。第四空間127位於第一空間124、第二空間125、第三空間126的相同側，且與第二空間125沿著第二方向(左右方向)排列。第四空間127包含一個光發射元件117，發射的波長大於光發射元件111~116。例如，光發射元件111~116發出綠光的波段，光發射元件117發出紅光或紅外光的波段。光發射元件117具有一正方形或長方形的外觀，面積大於光發射元件111~116。
本發明所述的光接收元件可以為光電二極體(photodiode)，具有一大於或等於預設值的光電轉換效率，用以將接收的光能轉換為電能或光電流，其組成物質包含半導體材料，尤其是III-V族的半導體材料，例如：可用於接收350~700nm波段的InGaP、可用於接收350~870nm波段的GaAs、可用於接收大於870nm波段的InGaAs。例如，光接收元件131的可接收波段是500~580nm的綠光波段。
本發明所述的光發射元件可以為發光二極體(Light-Emitting Diode；LED)、雷射二極體(Laser Diode；LD)。其中，發光二極體可以為具有單一二極體的芯片，或是具有陣列二極體的芯片(可操作於高壓的發光二極體)。例如，光發射元件111~116為可用於發出波長介於480~600nm的發光二極體。
本發明所述的接收波段係指光學感測模組中光發射元件發出光線的波段，例如：波長介於500nm~580nm的綠光波段、波長介於610nm~700nm的紅光波段、以及/或是波長介於700nm~1700nm的紅外光波段。光發射元件的發光波段是根據待測的生理訊號來選定，例如：綠光波段可用於偵測心率及血壓、紅光波段可用於偵測血氧、紅外光波段可用於偵測血氧、血糖、血脂。光接收元件於接收波段中，具有一大於或等於預設值的光電轉換效率，足以吸收相對應的光發射元件入射至待測物再反射回來的光訊號。非接收波段為接收波段以外的波段，可包含大於接收波段的波段、及/或小於接收波段的波段。在一實施例中，接收波段為綠光波段，例如：波長介於500nm~580nm，非接收波段為綠光以外的波段，例如：小於500nm及/或大於580nm。在另一實施例中，接收波段為紅光波段，例如：610nm~700nm，非接收波段為紅光以外的波段，例 如：小於610nm及/或大於700nm。在另一實施例中，接收波段為紅外光波段，例如：700nm~1700nm，非接收波段為紅外光波段以外，例如：小於700nm及/或大於1700nm。在另一實施例中，接收波段包含至少兩種色光的波段可用於量測多種生理訊號，例如：接收波段包含綠光以及紅光、或是接收波段包含紅光以及紅外光、或是接收波段包含綠光、紅光、以及紅外光。
第3A~3M圖顯示本發明一實施例中一光學感測模組之部分示意圖。第3A圖為光學感測模組200的部分剖面圖，包含承載體220、光發射元件211、光接收元件231。光學感測模組200可以是前述光學感測模組100、101、102的一部分。承載體220包含第一擋牆221、第二擋牆222、第三擋牆223、以及載板224。光發射元件211與光接收元件231可以為覆晶晶片、正裝水平式的晶片、或是正裝垂直式的晶片，且位於載板224上，並與載板224上的電路連接結構(圖未示)形成電性連接。光發射元件211位於第一擋牆221與第二擋牆222之間的空間225中，光接收元件231位於第二擋牆222與第三擋牆223之間的空間226中。光發射元件211與第一擋牆221、第二擋牆222之間皆具有一個大於0的距離，光接收元件231與第二擋牆222、第三擋牆223之間皆具有一個大於0的距離。詳言之，光發射元件211具有第一側面212與第一擋牆221之間具有一大於0的距離，第二側面213與第二擋牆222之間具有一大於0的距離；光接收元件231具有第一側面232與第二擋牆222之間具有一大於0的距離，第二側面233與第三擋牆223之間具有一大於0的距離。擋牆221、222、223與載板224大體上互相垂直。
擋牆221、222、223包含可以用於擋光的不透光材料，不透光材料可以包含不易反射光線的吸光材料或是反射材料。材料的詳細說明可以參考前述相關段落的說明。載板224可以為印刷電路板、有機材質、無機材質、或是具 有可撓或彎曲的材質。有機材質可以包含酚醛樹酯、玻璃纖維、環氧樹脂、聚酰亞胺或雙馬來醯亞胺-三氮雜苯樹脂(BT)。無機材質可以包含鋁或者陶瓷材料。可撓或彎曲的材質可以包含PET、PI(聚酰亞胺)、HPVDF(聚偏二氟乙烯)、或ETFE(乙烯-四氟乙烯)。
光學感測模組中的擋牆於面向光接收元件231的側壁，也可以包含吸光材料。是以，可以降低背景雜訊光入射到擋牆222、223產生反射與散射，進入到光接收元件231。如第3B圖顯示光學感測模組201的部分剖面圖，如同於光學感測模組200，包含承載體220、光發射元件211、光接收元件231。承載體220包含第一擋牆221、第二擋牆222、第三擋牆223、以及載板224。光發射元件211以及光接收元件231位於載板224上。光發射元件211位於第一擋牆221與第二擋牆222之間的空間225中，光接收元件231位於第二擋牆222與第三擋牆223之間的空間226中。第二擋牆222面對光接收元件231的內表面包含一吸光層241，第三擋牆223面對光接收元件231的內表面包含有一吸光層242。因此，光接收元件231設置於承載體220的空間226中且被吸光層241、242圍繞。在另一實施例中，位於空間226的載板224上，未被光接收元件231覆蓋的表面亦包含有吸光層，可以降低背景雜訊光經過載板224反射及/或散射進入到光接收元件231。在另一實施例中，擋牆221、222、223的每一個表面皆包含有吸光層。值得注意的是，在此說明僅光學感測模組201的部分剖面圖的詳細說明，於立體結構中，面對光接收元件231未示出的擋牆，與第二擋牆222以及第三擋牆223一樣，內表面包含有吸光層。因此，於立體結構中，圍繞光接收元件231的擋牆內表面皆包含有吸光層。
光學感測模組中的擋牆於面向光發射元件211的空間225中，也可以包含光反射材料，用以增加發光強度。如第3C圖顯示光學感測模組202的部分 剖面圖，如同於光學感測模組200，包含承載體220、光發射元件211、光接收元件231。承載體220包含第一擋牆221、第二擋牆222、第三擋牆223、以及載板224。光發射元件211以及光接收元件231位於載板224上。光發射元件211位於第一擋牆221與第二擋牆222之間的空間225中，光接收元件231位於第二擋牆222與第三擋牆223之間的空間226中。第一擋牆221面對光發射元件211的內表面包含有一反射層243，第二擋牆222面對光發射元件211的內表面包含有一反射層244。因此，光發射元件211設置於承載體220的空間225中且被反射層243、244圍繞。在另一實施例中，位於空間225的載板224上，未被光發射元件211覆蓋的表面亦包含有反射層，可以將入射到載板224上的光反射或散射，使其離開空間225朝上射出。在另一實施例中，圍繞光發射元件211的擋牆僅有部分具有反射層，使得由光發射元件211射出的光線從空間225離開時的光為一個非對稱的光型。例如僅有第一擋牆221的內表面包含有一反射層243，第二檔牆222面對光發射元件211的內表面不包含反射層。因此由光發射元件211射出的光線從空間225離開時，光的路徑會較偏向光接收元件231的方向。在另一實施例中，擋牆221、222、223的每一個表面皆包含有反射層。值得注意的是，在此說明僅光學感測模組202的部分剖面圖的詳細說明，於立體結構中，面對光發射元件211未示出的擋牆，與第一擋牆221以及第二擋牆222一樣，內表面包含有反射層。因此，於立體結構中，圍繞光發射元件211的擋牆內表面皆包含有反射層。
光學感測模組的擋牆於面向光發射元件211的側壁可以是一斜面，用以增加光線的摘出。光學感測模組的擋牆於面向光接收元件231的側壁也可以是一斜面，用以增加收光面積與收光量。如第3D圖顯示光學感測模組203的部分剖面圖，如同於光學感測模組200，包含承載體220、光發射元件211、光接 收元件231。承載體220包含第一擋牆221、第二擋牆222、第三擋牆223、以及載板224。光發射元件211以及光接收元件231位於載板224上。光發射元件211位於第一擋牆221與第二擋牆222之間的空間225中，光接收元件231位於第二擋牆222與第三擋牆223之間的空間226中。第一擋牆221面對光發射元件211的內表面227不與載板224垂直，且相對於載板224具有一小於90度的第一傾斜角θ1。第二擋牆222面對光發射元件211的內表面228不與載板224垂直，且相對於載板224具有一小於90度的第二傾斜角θ2。因此容置光發射元件211的空間225，於一剖面圖中，具有一個上寬下窄的形狀。詳言之，空間225的寬度隨著遠離載板224的方向漸漸變寬。在本實施例中，第一傾斜角θ1大體上與第二傾斜角θ2相等。在另一個實施例中，第一傾斜角不與第二傾斜角θ2相等，例如第一傾斜角θ1大於第二傾斜角θ2(光發射元件211上方的光型中心較可能偏向第一擋牆221)，或者，第一傾斜角θ1小於第二傾斜角θ2(光發射元件211上方的光型中心較可能偏向右側)。第二擋牆222面對光接收元件231的內表面229不與載板224垂直，且相對於載板224具有一小於90度的傾斜角。第三擋牆223面對光接收元件231的內表面230不與載板224垂直，且相對於載板224具有一小於90度的傾斜角。因此容置光接收元件231的空間226，於一剖面圖中，具有一個上寬下窄的形狀。詳言之，空間226的寬度隨著遠離載板224的方向漸漸變寬。擋牆221、222、223包含不透光材料，不透光材料可以包含吸光材料或是反射材料。材料的詳細說明可以參考前述相關段落的說明。值得注意的是，在此說明僅光學感測模組203的部分剖面圖的詳細說明，於立體結構中，面對光發射元件211未示出的擋牆，與第一擋牆221以及第二擋牆222一樣，內表面相對於載板224具有一傾斜角。面對光接收元件231未示出的擋牆，與第二擋牆222以及第三擋牆223一樣，內表面相對於載板224具有一傾斜角。
上述實施例根據光感測器使用的環境，搭配光發射元件211以及光接收元件231的光電特性做適當的彈性組合，擋牆具有傾斜表面外，也可以形成反射層與吸光層於擋牆的傾斜表面。如第3E圖顯示光學感測模組204的部分剖面圖，如同於光學感測模組203，包含承載體220、光發射元件211、光接收元件231。承載體220包含第一擋牆221、第二擋牆222、第三擋牆223、以及載板224。光發射元件211以及光接收元件231位於載板224上。光發射元件211位於第一擋牆221與第二擋牆222之間的空間225中，光接收元件231位於第二擋牆222與第三擋牆223之間的空間226中。第一擋牆221面對光發射元件211的內表面227相對於載板224具有一傾斜角，且具有一反射層243。第二擋牆222面對光發射元件211的內表面228相對於載板224具有一傾斜角，且具有一反射層244。因此容置光發射元件211的空間225，於一剖面圖中，具有一個上寬下窄的形狀。第二擋牆222面對光接收元件231的內表面229相對於載板224具有一傾斜角，且包含有一吸光層241。第三擋牆223面對光接收元件231的內表面230相對於載板224具有一傾斜角，且包含有一吸光層242。因此容置光接收元件231的空間226，於一剖面圖中，具有一個上寬下窄的形狀。在另一實施例中，位於空間226的載板224上，未被光接收元件231覆蓋的表面亦包含有吸光層，可以降低背景雜訊光入射到載板224上，經過載板224反射與散射進入到光接收元件231。位於空間225的載板224上，未被光發射元件211覆蓋的表面亦包含有反射層，可以將入射到載板224上的光反射或散射，使其離開空間225朝上射出。
上述實施例中，由於製作工序的不同，擋牆與反射層可以為一體成形的材料，擋牆與吸光層可以為一體成形的材料。如第3F圖顯示光學感測模組205的部分剖面圖，如同光學感測模組200，包含承載體220、光發射元件211、光 接收元件231。承載體220包含第一擋牆221、第二擋牆222、第三擋牆223、以及載板224。光發射元件211以及光接收元件231位於載板224上。光發射元件211位於第一擋牆221與第二擋牆222之間的空間225中，光接收元件231位於第二擋牆222與第三擋牆223之間的空間226中。第一檔牆221的第一外側表面2211為光學感測模組205的最外表面，內表面2212面對光發射元件211。第一檔牆221為反射材料，包含一基質及高反射率物質之混和物。基質可為矽膠基質(silicone-based)或環氧基質(epoxy-based)。高反射率物質可包含二氧化鈦、二氧化矽、氧化鋁、K2TiO3、ZrO2、ZnS、ZnO、或MgO。因此，第一檔牆221的內外表面的反射係數皆相等。第二檔牆222的第一內表面2221與第三檔牆223的內表面2231皆面向光接收元件231。第二檔牆222的第二內表面2222面向光發射元件211，第三檔牆223的第二外側表面2232可以面向光學感測模組中另外的光接收元件或是光發射元件(圖未示)。第二檔牆222與第三檔牆223為不易反射光線的吸光材料。吸光材料的顏色以不易反射光線的深色尤佳，例如黑色、咖啡色、灰色，或其他深色的顏色。吸光的材料可以包含有雙馬來醯亞胺三氮雜苯樹脂(Bismaleimide Triazine Resin，BT)，表面形成可遮蔽可見光的材料，例如：黑色油墨(BT為淡黃色)、金屬、樹脂或是石墨。金屬的材料可以為鉻、鎳。樹脂可以為Polyimide(PI)或是壓克力(Acrylate)為主體，再將光吸收材料，例如：碳(carbon)、氧化鈦等，或是深色顏料散佈於樹脂中。吸光的材料也可以包含一基質及光吸收物質之混和物。基質可為矽膠基質(silicone-based)或環氧基質(epoxy-based)。光吸收物質可包含碳(carbon)、氧化鈦等，或是深色顏料。詳言之，於光學感測模組205中，光發射元件211的第一側面212面對具有反射材料的第一擋牆221，光發射元件211的第二側面213面對具有不易反射光線的吸光材料的第二擋牆 222。光接收元件231的第一側面232面對具有不易反射光線的吸光材料的第二擋牆222，光接收元件231的第二側面233面對具有不易反射光線的吸光材料的第三擋牆223。
光學感測模組205中的擋牆面對光發射元件以及光接收元件的外側表面可以為斜面。如第3G圖顯示光學感測模組206的部分剖面圖，第一檔牆221的第一外側表面2211為光學感測模組206的最外表面，內表面2212面對光發射元件211且相對於載板224具有不等於90度的傾斜角。第一外側表面2211大體上垂直於載板224，換句話說，第一外側表面2211相對於載板224的夾角與內表面2212相對於載板224的夾角不同。第一檔牆221包含反射材料，材料可參考前述相關段落。第二檔牆222的第一內表面2221與第三檔牆223的內表面2231皆面向光接收元件231。第二檔牆222的第二內表面2222面向光發射元件211，第三檔牆223的第二外側表面2232可以面向光學感測模組中另外的光接收元件或是光發射元件(圖未示)。第二檔牆222與第三檔牆223為較不易反射光線的吸光材料，材料可參考前述相關段落。第二檔牆222的第一內表面2221以及內表面2212相對於載板224皆具有不等於90度的傾斜角。因此，於一剖面圖中，第二擋牆222具有一個上窄下寬的形狀(梯形)，且空間225呈現一上寬下窄的形狀(倒梯形)，空間226亦呈現一上寬下窄的形狀。第三擋牆223的內表面2231相對於載板224具有不等於90度的傾斜角，第三擋牆223的第二外側表面2232大體上垂直於載板224。於另一個實施例，第三擋牆223的第二外側表面2232相對於載板224具有不等於90度的傾斜角。
第3H~3I圖顯示當第一擋牆221包含反射材料的光學感測模組的上視圖。如第3H圖所示，光學感測模組206A包含有第一最外擋牆251、第二擋牆 222、第三擋牆223、第二最外擋牆252、第三最外擋牆253、以及第四最外擋牆254。第一最外擋牆251、第二擋牆222、第三擋牆223、第二最外擋牆252以平行的方式於橫向方向形成陣列排列。第三最外擋牆253與第四最外擋牆254以平行的方式於直向方向形成陣列排列。第三最外擋牆253與第一最外擋牆251、第二擋牆222、第三擋牆223、以及第二最外擋牆252垂直，並與第一最外擋牆251、第二擋牆222、第三擋牆223、以及第二最外擋牆252連接。第四最外擋牆254與第一最外擋牆251、第二擋牆222、第三擋牆223、以及第二最外擋牆252垂直，並與第一最外擋牆251、第二擋牆222、第三擋牆223、以及第二最外擋牆252連接。其中，第一最外擋牆251、第二擋牆222、第三最外擋牆253、以及第四最外擋牆254共同形成空間225供光發射元件211容置。第二擋牆222、第三擋牆223、第三最外擋牆253、以及第四最外擋牆254共同形成空間226供光接收元件231容置。第三擋牆223、第二最外擋牆252、第三最外擋牆253、以及第四最外擋牆254共同形成空間227’供光發射元件214容置。第一最外擋牆251與第二最外擋牆252反射材料。第二擋牆222、第三擋牆223、第三最外擋牆253、以及第四最外擋牆254為較不反射光線的吸光材料。反射材料與吸光材料可參考前述段落的描述。
於上視圖觀之，光學感測模組206A的最上外表面具有中間部分2531、左端部分2511、以及右端部份2521，中間部分2531位於左端部分2511以及右端部分2521之間。左端部分2511為第一最外檔牆251的最上表面，右端部分2521為第二最外檔牆252的最上表面。最上外表面的中間部分2531包含不反射光線的吸光材料，左右兩端部分2511、2521則包含反射材料。光學感測模組206A的最下外表面具有中間部分2541、左端部分2512、以及右端部份2522，中間部分2541位於左端部分2512以及右端部分2522之間。左端部分2512為第一最外檔牆 251的最下表面，右端部分2522為第二最外檔牆252的最下表面。最下外表面的中間部分2541包含不反射光線的吸光材料，左右兩端部分2512、2522則包含反射材料。光學感測模組206A的最右外表面2523為第二最外檔牆252的外表面，因此，最右外表面2523僅包含反射材料。光學感測模組206A的最左外表面2513為第一最外檔牆251的外表面，因此，最左外表面2513僅包含反射材料。
第3I圖為本發明另一實施例中一光學感測模組當第一擋牆221包含反射材料的光學感測模組的上視圖。類似於光學感測模組206A，光學感測模組206B包含有第一最外擋牆251、第二擋牆222、第三擋牆223、第二最外擋牆252、第三最外擋牆253、以及第四最外擋牆254。第一最外擋牆251、第二擋牆222、第三擋牆223、第二最外擋牆252以平行的方式於橫向方向形成陣列排列。第三最外擋牆253與第四最外擋牆254以平行的方式於直向方向形成陣列排列。第三最外擋牆253與第一最外擋牆251、第二擋牆222、第三擋牆223、以及第二最外擋牆252垂直，並與第一最外擋牆251、第二擋牆222、第三擋牆223、以及第二最外擋牆252連接。第四最外擋牆254與第一最外擋牆251、第二擋牆222、第三擋牆223、以及第二最外擋牆252垂直，並與第一最外擋牆251、第二擋牆222、第三擋牆223、以及第二最外擋牆252連接。其中，第一最外擋牆251、第二擋牆252、第三最外擋牆253、以及第四最外擋牆254共同形成空間225供光發射元件211容置。第二擋牆222、第三擋牆223、第三最外擋牆253、以及第四最外擋牆254共同形成空間226供光接收元件231容置。第三擋牆223、第二最外擋牆252、第三最外擋牆253、以及第四最外擋牆254共同形成空間227’供光發射元件214容置。第一最外擋牆251與第二最外擋牆252反射材料。第二擋牆222、第三擋牆223、第三最外擋牆253、 以及第四最外擋牆254為不易反射光線的吸光材料。反射材料與不易反射光線的吸光材料可參考前述段落的描述。
於上視圖觀之，光學感測模組206B的最上外表面2534為第三最外擋牆253的最上表面2534，因此，最上外表面2534僅包含不易反射光線的吸光材料。最下外表面2544為第四最外擋牆254的最下表面2544，因此，最下外表面2544僅包含不易反射光線的吸光材料。光學感測模組206B的最右外表面具有中間部分2524、上端部分2532、以及下端部份2542，中間部分2524位於上端部分2532以及下端部分2542之間。上端部分2532為第三最外檔牆253的最右表面，下端部分2542為第四最外檔牆254的最右表面。最右外表面的中間部分2524包含反射材料，上下兩端部分2532、2542則包含不易反射光線的吸光材料。光學感測模組206B的最左外表面具有中間部分2514、上端部分2533、以及下端部份2543，中間部分2514位於上端部分2533以及下端部分2543之間。上端部分2533為第三最外檔牆253的最左表面，下端部分2543為第四最外檔牆254的最左表面。最左外表面的中間部分2514包含反射材料，上下兩端部分2533、2543則包含不易反射光線的吸光材料。
第3H~3I圖的光學感測模組，因為僅有兩面最外擋牆其他擋牆的材料不同，因此於製作流程上，可以先使用不易反射光線的吸光材料形成所有的擋牆，之後再利用刀具切割整面移除面對光發射元件的擋牆位置，之後再填入反射材料。如此工序簡易，易於製作。
第3J圖為本發明另一實施例中一光學感測模組之部分剖面示意圖。光學感測模組207A類似於光學感測模組205，擋牆與反射層為一體成形的材料，或/與擋牆與不易反射光線的吸光層為一體成形的材料。光學感測模組207A 包含承載體220、光發射元件211、光接收元件231。承載體220包含第一擋牆221、第二擋牆222、第三擋牆223、以及載板224。光發射元件211以及光接收元件231位於載板224上。光發射元件211位於第一擋牆221與第二擋牆222之間的空間225中，光接收元件231位於第二擋牆222與第三擋牆223之間的空間226中。第一檔牆221的第一外側表面2211為光學感測模組207A的最外表面，內表面2212面對光發射元件211。第一檔牆221為反射材料，因此，第一檔牆221的內外表面的反射係數皆相等。第二檔牆222包含彼此緊鄰的第一部分2223以及第二部分2224。第一部分2223的外表面即是第二檔牆的第二內表面2222，面對光發射元件211。第二部分的外表面即是第二檔牆的第一內表面2221，面對光接收元件231。第一部分2223為反射材料，第二部分2224為不易反射光線的吸光材料。因此，第二檔牆222相對的兩個外側表面的反射係數不同。第三檔牆223的第二外側表面2232可以面向光學感測模組中另外的光接收元件或是光發射元件(圖未示)。第二外側表面2232如果是面向另外的光接收元件，第三檔牆223為不易反射光線的吸光材料。第二外側表面2232如果是面向另外的光發射元件，則如第3F圖所示，第三檔牆223如第二檔牆222一樣，包含彼此緊鄰的第一部分2233以及第二部分2234。第一部分2233的外表面即是第三檔牆223的內表面2231，面對光接收元件231。第二部分2234的外表面即是第三檔牆223的第二外側表面2232，面對光學感測模組中另外的光發射元件(圖未示)。第一部分2233為不易反射光線的吸光材料，第二部分2234為反射材料。因此，第三檔牆223相對的兩個外側表面的反射係數不同。
第3K圖為本發明一實施例中一光學感測模組之上視圖，類似於第3J圖的感測模組207A。如第3K圖所示，光學感測模組207B包含第一檔牆結構255形成空間225供光發射元件211容置、第二檔牆結構256形成空間226供光接收元 件231容置、以及第三檔牆結構257形成空間227’供光發射元件214容置。第一檔牆結構255包含反射材料且圍繞光發射元件211四周。第二檔牆結構256包含不易反射光線的吸光材料且圍繞光接收元件231四周。第三檔牆結構257包含反射材料且圍繞光發射元件214四周。第一檔牆結構255靠近第二檔牆結構256的一側2551緊鄰第二檔牆結構256靠近第一檔牆結構255的一側2561。第二檔牆結構256靠近第三檔牆結構257的一側2562緊鄰第三檔牆結構257靠近第二檔牆結構256的一側2571。
於上視圖觀之，光學感測模組207B的最上外表面具有中間部分2563、左端部分2552、以及右端部份2572，中間部分2563位於左端部分2552以及右端部分2572之間。左端部分2552為第一檔牆結構255的上表面，右端部分2572為第三檔牆結構257的上表面。最上外表面的中間部分2563包含不易反射光線的吸光材料，左右兩端部分2552、2572則包含反射材料。光學感測模組207B的最下外表面具有中間部分2564、左端部分2553、以及右端部份2573，中間部分2564位於左端部分2553以及右端部分2573之間。左端部分2553為第一檔牆結構255的下表面，右端部分2573為第三檔牆結構257的下表面。最下外表面的中間部分2564包含不易反射光線的吸光材料，左右兩端部分2553、2573則包含反射材料。光學感測模組207B的最右外表面2574為第三檔牆結構257的外表面，因此，最右外表面2574僅包含反射材料。光學感測模組207B的最左外表面2554為第一檔牆結構255的外表面，因此，最左外表面2554僅包含反射材料。
第3L圖顯示本發明一實施例中一光學感測模組之部分剖面圖。類似於第3J圖中的光學感測模組207A。如第3L圖所示，光學感測模組208A至少包含一覆晶形式的光發射元件211以及至少一覆晶形式的光接收元件231。光發射 元件211包含第一電極2111以及第二電極2112位於光發射元件211的下部。光接收元件231包含第一電極2311以及第二電極2312位於光接收元件231的下部。光發射元件211與光接收元件231被第二檔牆222隔開。光發射元件211位於第一檔牆221與第二檔牆222之間的空間225中，光接收元件231位於第二擋牆222與第三擋牆223之間的空間226中。第一檔牆221為反射材料。第二檔牆222包含彼此緊鄰的第一部分2223以及第二部分2224。第一部分2223的外表面即是第二檔牆222的第二內表面2222，面對光發射元件211。第二部分2224的外表面即是第二檔牆222的第一內表面2221，面對光接收元件231。第一部分2223為反射材料，第二部分2224為不易反射光線的吸光材料。因此，第二檔牆222相對的兩個外側表面的反射係數不同。第三檔牆223的第二外側表面2232可以面向光學感測模組中另外的光接收元件或是光發射元件(圖未示)。第二外側表面2232如果是面向另外的光接收元件，則如第3L圖所示，第三檔牆223為不易反射光線的吸光材料。第二外側表面2232如果是面向另外的光發射元件，則第二外側表面2232可以選擇性地緊鄰另一包含反射材料的檔牆(圖未示)。第一檔牆221、第二檔牆222、以及第三檔牆223的表面2211、2212、2222、2221、2231、2232彼此沿上下方向互相平行並排列成一直線。
空間225以及空間226可以填入透明封裝材料用以保護以及固定光發射元件211以及光接收元件231。光發射元件211的第一電極2111以及第二電極2112、以及光接收元件231的第一電極2311以及第二電極2312的下表面暴露於光學感測模組208A的下表面。透明封裝材料包含矽膠(Silicone)、環氧樹脂(Epoxy)、聚亞醯胺(PI)、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、SU8、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙 二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、氧化鋁(Al2O3)、SINR、旋塗玻璃(SOG)。
第3M圖顯示本發明一實施例中一光學感測模組之部分剖面圖。類似於第3L圖中的光學感測模組208A。如第3M圖所示，光學感測模組208B至少包含一覆晶形式的光發射元件211以及至少一覆晶形式的光接收元件231。光發射元件211包含第一電極2111以及第二電極2112，例如：正負極，位於光發射元件211的下部。光接收元件231包含第一電極2311以及第二電極2312，例如：正負極，位於光接收元件231的下部。光發射元件211與光接收元件231被第二檔牆222隔開。光發射元件211位於第一檔牆221與第二檔牆222之間的空間255中，光接收元件231位於第二擋牆222與第三擋牆223之間的空間226中。第一檔牆221可反射來自光發射元件211的光線，為反射材料/結構。第二檔牆222包含彼此緊鄰的第一部分2223以及第二部分2224。第一部分2223的外表面即是第二檔牆222的第二內表面2222，面對光發射元件211。第二部分2224的外表面即是第二檔牆222的第一內表面2221，面對光接收元件231。第一部分2223為反射材料，第二部分2224為不易反射光線的吸光材料。因此，第二檔牆222相對的兩個外側表面的反射係數不同。第三檔牆223的第二外側表面2232可以面向光學感測模組中另外的光接收元件或是光發射元件(圖未示)。第二外側表面2232如果是面向另外的光接收元件，則如第3L圖所示，第三檔牆223為不易反射光線的吸光材料。第二外側表面2232如果是面向另外的光發射元件，則第二外側表面2232可以選擇性地緊鄰另一包含反射材料的檔牆(圖未示)。第一檔牆221面向光發射元件211的內表面2212與相對於光學感測模組208B的最下表面2081具有一不等於90度的傾斜角。第二檔牆222面向光發射元件211的第二內表面2222與相對於光學感測模組208B 的最下表面2081具有一不等於90度的傾斜角。第二檔牆222面向光接收元件231的第一內表面2221與相對於光學感測模組208B的最下表面2081具有一不等於90度的傾斜角。第三檔牆223面向光接收元件231的內表面2231與相對於光學感測模組208B的最下表面2081具有一不等於90度的傾斜角。因此，於一剖面圖中，第二擋牆222具有一個上窄下寬的形狀，且空間225呈現一上寬下窄的形狀，空間226亦呈現一上寬下窄的形狀。
空間225以及空間226可以填入透明封裝材料用以保護以及固定光發射元件211以及光接收元件231。光發射元件211的第一電極2111以及第二電極2112、以及光接收元件231的第一電極2311以及第二電極2312的下表面暴露於光學感測模組208B的下表面。
第4A圖為非侵入式的反射式光學感測模組置於人體上，例如：手腕，的示意圖。光學感測模組401包括至少一光發射元件411以及至少一個光接收元件431置於承載體420內。光發射元件411朝向皮膚射出光線，光線會穿過皮下組織、肌肉、身體細胞、動脈402、靜脈...等。當光線穿過皮膚並照射身體細胞以及血液，會發生吸收、穿透、散射、以及反射。再藉由光接收元件吸收從身體細胞以及血液散射/反射回來的光，根據此反射、散射光的變化，可以獲得一些生理訊號的資訊，例如：心率、血糖、血壓、血氧濃度...等。以心率為例，動脈402中的血流量隨著心臟的跳動產生收縮與舒張，而有規律的變化。因此，光在動脈402中因為血液容積變化產生的散射與反射的光學性質與其他身體細胞產生的光學性質會有所不同。換句話說，在心臟跳動期間，從光接收元件431接收到從皮膚返回的光被動脈402血液的容積變化所調變，此訊號為光體積變化描記圖(photoplethysmogram；PPG)，藉此獲得心率的生理資訊。此圖示僅以手腕 作為例示。本發明的光學感測模組也可應用於人體其他的皮膚表面監測生理訊號，例如手指、耳垂、胸口、額頭。
第4B圖顯示依據本發明一實施例的光學感測系統電路模塊示意圖。光學感測系統包含具有複數個光發射元件411、412、以及光接收元件431的光學感測模組400。電流控制電路460耦接於光發射元件411、412用以驅動光發射元件411、412。放大器441耦接於光接收元件431用於接收並放大光接收元件431接收光後產生的電訊號。濾波器442耦接於放大器441的輸出端，用以消除雜訊。ADC電路443耦接於濾波器442的輸出端，用以將類比的電訊號轉換為數位的電訊號，此數位的電訊號數值代表著光強度的大小。訊號處理模組450耦接於電流控制電路460以及ADC電路443。訊號處理模組450包含處理器452以及儲存裝置451。訊號處理模組450接收來自ADC電路443的電訊號，處理器452對此電訊號作儲存、運算、以及分析。處理器452亦會輸出訊號給電流控制電路460用以適當的調控光發射元件411、412的發光強度。光學感測系統可以透過無線傳輸，例如：NFC、WiFi、Bluetooth、或是其他適當的通訊協定，的方式將感測結果傳至遠端的顯示裝置，例如腕錶、手機。
第5A圖是光體積變化描記圖(photoplethysmogram；PPG)的示意圖。PPG訊號與血管中血容量的變化有關。當心臟收縮與舒張時，血液流經動脈的血容量不同，使得穿透皮膚的光入射到血管後產生的反射/散射光強度會有所不同，因此光接收元件感測到的光強度會隨心臟收縮與舒張而產生對應的波形。當心臟跳動產生週期性的收縮與舒張時，可藉此光體積變化描記圖獲得心臟或與血管有關的生理資訊，例如：心律。參考第5A圖，縱軸是代表光接收元件感測到經過歸一化(normalize)後的光強度大小。PPG訊號一個周期內具有第一 波峰501代表心臟完全舒張的時間、第一波谷502代表心臟收縮與舒張的時間分界點、第二波峰503代表心臟從舒張改變為收縮時產生的血液回流現象、第二波谷504代表心臟完全收縮的時間。第一波峰501、第一波谷502、第二波峰503、以及第二波谷504之間的斜率變化、時間延遲距離皆可反應出心臟與血管相關的生理現象，例如：血氧濃度(SpO2)、脈搏率(Pulse rate)、呼吸率(respiratory rate)、血管硬化指標(stiffness index)、血管反射指標(reflection index)、脈波傳遞時間(pulse transittime；PTT)、及脈波速率(pulse wave velocity；PWV)...等等。透過不同且相鄰周期中的第一波峰501時間差統計，可以獲得心臟跳動的週期進而獲得心率的資訊。PPG訊號的量值是一不易隨時間變化的DC值與一隨時間變化的AC值的總和。AC值是會隨心臟收縮舒張，動脈中血液容量的變化導致光強度變化量。DC值是因為皮膚顏色、皮下組織、細胞、靜脈、骨骼、肌肉...等不隨心臟收縮舒張變化而影響的散射/反射光強度。
第5A圖中的PPG訊號，根據DC與AC的值可以得到灌注指數(perfusion index，PI)，PI值定義為AC/DC=PI(%)。當光接收元件的光電轉換效率越高，PI值就會越大，則第一波峰501、第一波谷502、第二波峰503、以及第二波谷504較容易量測得出來，因此越容易獲得較多的生理訊號。若PI值不夠大，則PPG訊號可能只能解析到訊號最強的第一波峰501，則能判別的生理訊號較少，例如：只能判別心率。
第5B圖顯示兩個對照組(對照組1與對照組2)的光接收元件以及兩個依據本發明實施例(實施例1與實施例2)的光接收元件使用在同一個光學感測系統測得的PI值。對照組1與對照組2的材料皆是包含IV族的半導體材料，例如：Silicon base的材料。對照組1的尺寸為110mil×110mil，光接受面積為 7.56mm2，PI=0.86%。對照組2的尺寸為80mil×80mil，光接受面積為4mm2，PI=0.64%。實施例1與實施例2的材料皆是包含III-V族的半導體材料，例如：InGaP、InGaAs。實施例1的尺寸為80mil×80mil，光接受面積為4mm2，PI=0.86%。實施例2的尺寸為100mil×100mil，光接受面積為6.25mm2，PI=1.56%。由於實施例1與實施例2為III-V族的半導體材料，光電轉換效率(外部量子效率)較對照組1與對照組2還要高，因此在相近尺寸下，實施例1與實施例2的PI值會較對照組1對照組2還要高。在此光接收元件可定義一比值N=PI(%)/光接收面積(mm2)。對照組1的N=0.11，對照組2的N=0.16，實施例1的N=0.21，實施例2的N=0.24。因此可以得知，使用本發明實施例的光學感測系統可以獲得N大於0.2。
灌注指數會與測量的人種、以及測量的部位有關，上述所量測的灌注指數是指光學感測模組發射波段以及接收波段為綠光，例如：波長介於500~580nm的綠光，且置於黃種人的手腕上所量得的訊號。其中，光學感測模組中，光接收元件的接收表面到手腕皮膚的距離大致為1~2mm。
第6A圖為本發明一實施例中一光學感測模組之部分剖面示意圖。光學感測模組601類似第3D圖的光學感測模組203，包含承載體620、光發射元件611、光接收元件631。承載體620包含第一擋牆621、第二擋牆622、第三擋牆623。光發射元件611位於第一擋牆621與第二擋牆622之間的空間625中，光接收元件631位於第二擋牆622與第三擋牆623之間的空間626中。承載體620包含第一承載面641用以承載光發射元件611，第二承載面642用以承載光接收元件631。第一擋牆621面對光發射元件611的內表面627不與第一承載面641垂直，且相對於第一承載面641具有一鈍角的傾斜角。第二擋牆622面對光發射元件611的內表面628不與第一承載面641垂直，且相對於第一承載面641具有一鈍角的傾斜角。因此容 置光發射元件611的空間625，於一剖面圖中，具有一個上寬下窄的形狀。詳言之，空間625的寬度隨著遠離第一承載面641的方向漸漸變寬。第二擋牆622面對光接收元件631的內表面629不與第二承載面642垂直，且相對於第二承載面642具有一傾斜角。第三擋牆623面對光接收元件631的內表面630不與第二承載面642垂直，且相對於第二承載面642具有一傾斜角。因此容置光接收元件631的空間226，於一剖面圖中，具有一個上寬下窄的形狀。詳言之，空間626的寬度隨著遠離第二承載面642的方向漸漸變寬。光發射元件611的發光表面612與承載體620的最上表面之間具有一個距離H1，光接收元件631的接收表面632與承載體620的最上表面之間具有一個距離H2，H1<H2。因此，相較於光接收元件631，光發射元件611可以較靠近待測皮膚的表面，進而增加入射進皮膚的光強度。第一承載面641與承載體620的最下表面之間的距離大於第二承載面642與承載體620的最下表面之間的距離。在一實施例中，光發射元件611具有一個高度T，H2>H1+T。在另一個實施例中，擋牆621、622、623也可以跟第一承載面641或第二承載面642互相垂直。在另一實施例中，內表面627、628、629、630上如第3B~3D圖一樣，形成反射層或是吸光層。在另一實施例中，擋牆621、622、623可以如3F~3M圖一樣，擋牆的材料可以包含反射材料或是光不易反射的吸光材料。
由於光發射元件的發光角度小於150度，例如：發光二極體一般的發光角度為120度，當光發射元件的發光表面高於光接收元件的接收表面，則光發射元件發出的光線干擾光接收元件的強度會很小、甚至趨近於零。因此，光學感測模組中，用於隔離光發射元件與光接收元件之間可以不需要擋牆，如第6B圖所示。第6B圖為本發明一實施例中一光學感測模組之部分剖面示意圖。光學感測模組602包含承載體620、光發射元件611、光接收元件631。承載體602包含 第一擋牆621、第三擋牆623、以及第一承載面641。第一承載面641用於承載光發射元件611以及光接收元件631。光發射元件611以及光接收元件631位於第一擋牆621與第三擋牆622之間的空間625中。第一擋牆621面對光發射元件611/光接收元件631的內表面627不與第一承載面641垂直，且相對於第一承載面641具有一傾斜角。第三擋牆623面對光發射元件611/光接收元件631的內表面630不與第一承載面641垂直，且相對於第一承載面641具有一傾斜角。因此容置光發射元件611/光接收元件631的空間625，於一剖面圖中，具有一個上寬下窄的形狀。詳言之，空間625的寬度隨著遠離第一承載面641的方向漸漸變寬。光發射元件611的發光表面612與承載體620的最上表面之間具有一個距離H1，光接收元件631的接收表面632與承載體620的最上表面之間具有一個距離H2，H1<H2。光發射元件611與承載體620的第一承載面641之間具有一個調整發光表面高度的連接器件644，連接器件644具有一個寬度較光發射元件611大。在一實施例中，光發射元件611具有一個高度T，H2>H1+T。在另一個實施例中，擋牆621、623也可以跟第一承載面641互相垂直。或是在內表面627、630上如第3B~3D圖一樣，形成反射層或是吸光層。連接器件644可為電絕緣材料，其包含塑膠，例如：聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚體(ABS)、ABS和PC的混和物、或陶瓷材料，例如：氧化鋁(Al2O3)。陶瓷材料可由厚膜製程(thick film)、低溫共燒製程(LTCC)與薄膜製程等方式製作而成。連接器件644可幫助由光發射元件611產生的熱藉由傳導的方式離開。
第6C圖為本發明另一實施例中一光學感測模組之部分剖面示意圖。光學感測模組603類似第6A圖的光學感測模組601，包含承載體620、光發射 元件611、光接收元件631。光發射元件611的發光表面612與承載體620的最上表面之間具有一個距離H1，光接收元件631的接收表面632與承載體620的最上表面之間具有一個距離H2，H1>H2。因此，相較於光發射元件611，光接收元件631可以較靠近待測皮膚的表面，進而增加接收的光強度，也可以減少外界環境光的干擾。
第6D圖為本發明另一實施例中一光學感測模組之部分剖面示意圖。如第6D圖所示，光學感測模組604至少包含一覆晶形式的光發射元件611以及至少一覆晶形式的光接收元件631。光發射元件611包含第一電極及第二電極(圖未示)位於光發射元件611的下部。光接收元件631包含第一電極6311以及第二電極6312位於光接收元件231的下部。光發射元件611下方有一連接器件644，連接器件644具有一個寬度較光發射元件611大。連接器件644有兩個導電通孔6441、6442與光發射元件611的第一電極以及第二電極形成電性連接。光發射元件611的發光表面612與承載體620的最上表面之間具有一個距離H1，光接收元件631的接收表面632與承載體620的最上表面之間具有一個距離H2，H1<H2。在一實施例中，光發射元件611具有一個高度T，H2>H1+T。光發射元件611、連接器件644、以及光接收元件631位於第一檔牆621以及第三擋牆623之間的空間625之中。空間625可以填入透明封裝材料用以保護以及固定光發射元件611、光接收元件631、連接器件644。第一擋牆621面對光發射元件611/光接收元件631的內表面627不與光學感測模組604的最下表面624垂直，第三擋牆623面對光發射元件611/光接收元件631的內表面630不與光學感測模組604的最下表面624垂直。因此，容置光發射元件611/光接收元件631的空間625，於一剖面圖中，具有一個上寬下窄的形狀。詳言之，空間625的寬度隨著遠離光學感測模組604的最下表 面624的方向漸漸變寬。導電通孔6441、6442、以及光接收元件631的第一電極6311以及第二電極6312的下表面暴露於光學感測模組604的最下表面624。擋牆的材料可以包含反射材料或是光不易反射的吸光材料。連接器件644以及透明封裝材料的材料可以參考前述段落的說明。
第6E圖為本發明另一實施例中一光學感測模組之部分剖面示意圖。光學感測模組605至少包含一覆晶形式的光發射元件611以及至少一覆晶形式的光接收元件631。光發射元件611包含第一電極6111及第二電極6112位於光接收元件611的下部。第一電極6111以及第二電極6112周圍被一支撐結構613圍繞，支撐結構613不僅圍繞第一電極6111以及第二電極6112，也覆蓋光發射元件611的下表面。支撐結構613的外側表面與光發射元件611的外側表面齊平。支撐結構613的最下表面與第一電極6111與第二電極6112的最下表面齊平。支撐結構613可以為反射材料、不易反射光線的吸光材料，或是透明封裝材料。光接收元件631包含第一電極6311以及第二電極6312位於光接收元件231的下部。光發射元件611的發光表面612與承載體620的最上表面之間具有一個距離H1，光接收元件631的接收表面632與承載體620的最上表面之間具有一個距離H2，H1<H2。在一實施例中，光發射元件611具有一個高度T，H2>H1+T。光發射元件611以及光接收元件631位於第一檔牆621以及第三擋牆623之間的空間625之中。空間625可以填入透明封裝材料用以保護以及固定光發射元件611以及光接收元件631。第一擋牆621面對光發射元件611/光接收元件631的內表面627不與光學感測模組605的最下表面624垂直，第三擋牆623面對光發射元件611/光接收元件631的內表面630不與光學感測模組605的最下表面624垂直。因此，容置光發射元件611/光接收元件631的空間625，於一剖面圖中，具有一個上寬下窄的形狀。 詳言之，空間625的寬度隨著遠離光學感測模組605的最下表面624的方向漸漸變寬。光發射元件611的第一電極6111以及第二電極6112、以及光接收元件631的第一電極6311以及第二電極6312的下表面暴露於光學感測模組605的最下表面624。擋牆的材料可以包含反射材料或是光不易反射的吸光材料。透明封裝材料的材料可以參考前述段落的說明。
在另一實施例中，光學感測模組具有多個不同波段的光發射元件以及多個相對應不同接收波段的光接收元件，藉由發射不同波段的光至待測生物，例如人類的皮膚，並藉由偵測反射回來不同波段的光，可獲得多種不同的生理訊號，例如血氧、血壓、心律、血糖...等。第7A圖為依據本發明另一實施例的光學感測模組之上視圖。光學感測模組701包含承載體720、第一光接收元件731、第二光接收元件732、第三光接收元件733、第一光發射元件711、第二光發射元件712、以及第三光發射元件713。承載體720包含外殼721以及擋牆722，用以區隔出第一空間724以及第二空間725，其中第二空間725較第一空間724大。第一空間724具有複數個不同波段的光發射元件，第二空間725具有複數個不同波段的光接收元件。第一光發射元件711、第二光發射元件712、以及第三光發射元件713位於第一空間724中。第一光接收元件731、第二光接收元件732、以及第三光接收元件733位於第二空間725中。其中，第一光發射元件711、第二光發射元件712、以及第三光發射元件713的主波長(dominant wavelength)/波峰值(peak wavelength)不同，例如：介於500~580nm之間的綠光、介於610~700nm之間的紅光、或是大於700nm的紅外光。第一光接收元件731、第二光接收元件732、以及第三光接收元件733位於第二空間725中，且接收波段分別對應於第一光發射元件711、第二光發射元件712、以及第三光發射元件713的主波長(dominant wavelength)/波峰值(peak wavelength)的範圍。光接收元件731、732、733的面積較光發射元件711、712、713大。
在另一個實施例中，具有多波段的光發射元件以及光接收元件的光學感測模組中，光接收元件的個數小於光發射元件。詳言之，一個光接收元件可以接收來自不同發射波段的光發射元件的光。如第7B圖所示，光學感測模組702包含承載體720、第一光發射元件711、第二光發射元件712、第三光發射元件713、以及第一光接收元件731。承載體720包含外殼721以及擋牆722，用以區隔出第一空間724以及第二空間725，其中第二空間725較第一空間724大。第一空間724具有複數個不同波段的光發射元件，第二空間725具有數量小於第一空間724中的光發射元件數量的一個第一光接收元件731。第一光發射元件711、第二光發射元件712、以及第三光發射元件713的主波長(dominant wavelength)/波峰值(peak wavelength)不同，例如：介於500~580nm之間的綠光、介於610~700nm之間的紅光、或是大於700nm的紅外光。第一光接收元件731的接收波段涵蓋第一光發射元件711、第二光發射元件712、以及第三光發射元件713的主波長(dominant wavelength)/波峰值(peak wavelength)。第一光接收元件731的面積較光發射元件711、712、713大。
請參照第8圖所示，此為本揭露內容一實施例的光接收元件8(例如：光電二極體(photodiode)之剖面圖。第9圖為第8圖之上視圖且未繪出保護層86。第10圖為第8圖的簡易立體示意圖。光接收元件8包含Ⅲ-V族半導體化合物，且包含一活性區(或空乏區；depletion region)，藉此將光能轉換為電能或光電流。詳言之，本實施例的光接受元件8包含一第一半導體疊層81及一基板82。基板82可用以支持位於其上之第一半導體疊層81與其它層或結構。第一半導體 疊層81位於基板82上，且包含第一型半導體結構811、第二型半導體結構812及一活性區813位於第一型半導體結構811及第二型半導體結構812之間。本文以第一型及第二型分別指稱不同導電型態，若電洞為多數載子即稱為p型，若電子為多數載子即為稱n型，舉例而言，第一型半導體結構811之導電型態為p型，且第二型半導體結構812之導電型態為n型，反之亦可。
活性區813為光接收元件8用以吸收光的區域，且依據活性區813之材料(或能隙(band gap)來決定欲被吸收之光線的波長範圍，換言之，活性區813可吸收能量大於其能隙的光。活性區813的能隙可設計介於0.72ev與1.77ev(其相對應波長為介於700nm及1700nm的紅外光)、介於1.77ev與2.03ev(其相對應波長為介於610nm及700nm之間的紅光)、介於2.1ev與2.175ev(其相對應波長為介於570nm及590nm之間的黃光)、介於2.137ev與2.48ev(其相對應波長為介於500nm及580nm之間的綠光)、介於2.53ev與3.1ev(其相對應波長為介於400nm及490nm之間的藍光或深藍光)、或是介於3.1ev與4.96ev(其相對應波長為介於250nm及400nm之間的紫外光)。本實施例的活性區813為包含摻雜物的半導體層且摻雜濃度小於第一型半導體結構811或/及第二型半導體結構812，詳言之，活性區813的摻雜物摻雜濃度低於5×1016cm-3，例如摻雜濃度可以為1×1015cm-3~5×1016cm-3。本實施例之活性區813的摻雜物與第一型半導體結構811的摻雜物，使活性區813及第一型半導體結構811具有相同的導電型態，或者活性區813的摻雜物與第一型半導體結構811的摻雜物的材料相同。在另一實施例中，活性區813為未故意摻雜一摻雜物的半導體層。本實施例的光接收元件8之活性區813係可以用以吸收波長介於500nm及580nm之間的綠光。在本實施例中，活性區813為位於第一型半導體結構811及第二型半導體結構812之間的單層結構，在 另一實施例中，第一型半導體結構811及第二型半導體結構812係直接接觸，且活性區813為第一型半導體結構811及第二型半導體結構812之間的界面。
本實施例之光接收元件8另包含一第一電極墊83及一第二電極墊84電性連接於第一半導體疊層81，用以傳導第一半導體疊層81吸收光產生的光電流。第一電極墊83與第二電極墊84分別位於第一半導體疊層81的相對兩側上，使光接收元件8形成一垂直式型態。詳言之，第一半導體疊層81具有一第一表面S1連接於基板82、一第二表面S2相對於第一表面S1且遠離基板82、以及一側表面S3連接第一表面S1及第二表面S2，且第一電極墊83位於基板82上，第二電極墊84位於第二表面S2上。
在本實施例中，光接收元件8為一垂直式型態，因此，基板82係為一可導電材料，且包含金屬材料、半導體材料或透明導電材料。金屬材料可以為但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、鉻(Cr)、錫(Sn)、金(Au)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉑(Pt)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、銻(Sb)、鈷(Co)或上述材料之合金；半導體材料可以為但不限於Ⅳ族半導體或Ⅲ-V族半導體，例如：矽(Si)、鍺(Ge)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(AsGaP)或磷化銦(InP)等；透明導電材料可以為但不限於氧化物、類鑽碳薄膜(DLC)或石墨烯，氧化物例如為氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化銦鎢(IWO)、氧化鋅(ZnO)或氧化銦鋅(IZO)。在另一實施例中，當光接收元件8為非垂直式型態時，基板8更可包含絕緣材料，例如藍寶石(sapphire)、玻璃(glass)、氮化物或氧化物(例如氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)等。此外，基板82可為透明或不透明。第一半導體疊層81可以透過有機金屬化學氣相沉積法 (MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)或氫化物氣相磊晶法(HVPE)等磊晶方法成長於基板82或另一成長基板上。若是在成長基板上生成的第一半導體疊層81則可藉由基板轉移技術，將第一半導體疊層81透過黏結層(圖未示)接合至基板82，並可選擇性地移除成長基板。基板82可以選擇摻雜或不摻雜一摻雜物。基板82之導電型態可為n型或p型。在本實施例中，基板82的材料為p型砷化鎵。
請參照第9、10圖所示，第二表面S2為光接收元件8的主要吸光面，為避免第二電極墊84遮蔽過多的第二表面S2，使吸光面積減少而導致光電轉換效率降低，因此由光接收元件8的上視圖觀之，第二電極墊84的面積不大於第二表面S2的15%，較佳不大於第二表面S2的10%，更佳不大於第二表面S2的5%。此外，第二電極墊84的面積較佳大於第二表面的0.08%，以利後須打線接合。詳言之，在一實施例中，第二電極墊84的面積為第二表面S2的0.08%~5%，在本實施例中，第二電極墊84的面積為第二表面S2的面積的0.3%~0.5%，在一實施例中，第二電極墊84的直徑或最長邊不小於30μm。此外，本實施例中的第二電極墊84遠離第二表面S2的幾何中心T1，且鄰近第一半導體疊層81的邊緣T2。本實施例的第二表面S2上僅具有第二電極墊84，並未有其他的導電材料(如延伸電極)形成於第二表面S2上。在其他實施例中，第二表面S2上除了第二電極墊84外，另設有延伸電極連接第二電極墊84，且由上視觀之，延伸電極與第二電極墊84的面積總和不大於第二表面S2面積的15%且大於第二面S2面積的0.08%。
如第8圖所示，在本實施例中，光接收元件8另包含一保護層86包覆第一半導體疊層81。詳言之，保護層86覆蓋於第二表面S2及側表面S3，以完整包覆第一半導體疊層81，避免外界的濕氣或侵蝕性物質進入第一半導體疊層81，對第一半導體疊層81的電性或穩定性產生不良影響。本實施例的保護層86係直接接觸第一半導體疊層81的第二表面S2及側表面S3，詳言之，保護層86係直接接觸第一型半導體結構811的一側壁S31、活性層813的一側壁S32及第二 型半導體結構812的一側壁S33，以增加對第一半導體疊層81的保護效果。保護層86由一單層結構所組成，且對於波長範圍在400nm至1000nm的區間具有小於20%的反射率，保護層86亦可用以降低入射光在第一半導體疊層81時的反射效應，以作為一抗反射層。舉例來說，保護層86的材料可以為氧化物或氮化物，例如：氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)或氮化矽(SiN)。保護層86的折射率小於第一半導體疊層81的折射率以減少光在第二表面S2及側表面S3的反射機率。舉例而言，保護層86的折射率約為1.4至2.1之間。本實施例的保護層86為300Å~1000Å的氮化矽。在一實施例中，為了達到更佳的抗反射效果，保護層86的厚度為四分之一波長的整數倍，上述波長為活性區813具有最高外部量子效率的波長。在其他實施例中，光接收元件8亦可以選擇省略上述保護層86，而藉由覆蓋於光接收元件8的封裝結構(圖未示)，減少濕氣或侵蝕性物質進入第一半導體疊層81。在一實施例中，保護層86為多層結構，且相鄰的兩層之折射率差異小於0.7，例如保護層86包含一第一層為二氧化矽及一第二層為氮化矽相鄰於第一層。
本實施例之光接收元件8的第一半導體疊層81另包含一緩衝層814及一第一阻障層815設於第一型半導體結構811及基板82之間。緩衝層814用以增加第一型半導體結構811及其上各層的磊晶品質；第一阻障層815的能隙大於第一型半導體結構811，用以防止載子在第一型半導體結構811及第一阻障層815的界面複合，藉此能增加光接收元件8的光電流。緩衝層814及第一阻障層815各具有一摻雜物，使其與第一型半導體結構812具有相同的導電型態，且緩衝層814及第一阻障層815的摻雜物的摻雜濃度均大於第一型半導體結構811的摻雜物的摻雜濃度，例如大於1×1017cm-3。此外，本實施例之光接收元件8的第一半導體疊層81另包含一第二阻障層816設於第二型半導體結構812上，第二阻障層816的能隙大於第二型半導體結構812，用以防止載子在第二阻障層816 與第二型半導體結構812的界面複合，藉此能增加光接收元件8的光電流。本實施例之第二阻障層816具有一摻雜物，使其與第二型半導體結構812具有相同的導電型態。本實施例的緩衝層814材料為InGaP，第一阻障層815的材料為AlGaInP，第二阻障層816的材料為AlInP。
光接收元件8另包含一接觸層85位於第一半導體疊層81與第二電極墊84之間。接觸層85為導電材料，且可以依據第一半導體疊層81的材料進行選擇，使接觸層85與第二型半導體結構812形成良好的電性接觸及較低的接觸電阻，例如形成歐姆接觸。舉例來說，接觸層85的材料可選擇為Ⅲ-V族半導體，例如：砷化鎵(GaAs)或磷化鎵(GaP)等。在本實施例中，接觸層85的摻雜物摻雜濃度大於第二型半導體結構812的摻雜物摻雜濃度。接觸層85大致與第二電極墊84具有相同的位置分布，藉此避免接觸層85遮蔽第二表面S2(即主要吸光面)，藉此增加光接收元件8的光電轉換效率。
於本實施例中，第一型半導體結構811、第二型半導體結構812及活性區813之材料包含Ⅲ-V族化合物半導體，例如可以為AlGaInAs系列、AlGaInP系列、AlInGaN系列、AlAsSb系列、InGaAsP系列、InGaAsN系列、AlGaAsP系列等，例如：AlGaInP、GaAs、InGaAs、AlGaAs、GaAsP、GaP、InGaP、AlInP、GaN、InGaN、AlGaN等化合物。在本揭露內容之實施例中，若無特別說明，上述化學表示式包含「符合化學劑量之化合物」及「非符合化學劑量之化合物」，其中，「符合化學劑量之化合物」例如為三族元素的總元素劑量與五族元素的總元素劑量相同，反之，「非符合化學劑量之化合物」例如為三族元素的總元素劑量與五族元素的總元素劑量不同。舉例而言，化學表示式為AlGaInAs系列即代表包含三族元素鋁(Al)及/或鎵(Ga)及/或銦(In)，以及包含五族元素砷(As)，其中三族元素(鋁及/或鎵及/或銦)的總元素劑量可以與五族元素 (砷)的總元素劑量相同或相異。另外，若上述由化學表示式表示的各化合物為符合化學劑量之化合物時，AlGaInAs系列即代表(Aly1Ga(1-y1))1-x1Inx1As其中，0≦x1≦1，0≦y1≦1；AlGaInP系列即代表(Aly2Ga(1-y2))1-x2Inx2P，其中，0≦x2≦1，0≦y2≦1；AlInGaN系列即代表(Aly3Ga(1-y3))1-x3Inx3N，其中，0≦x3≦1，0≦y3≦1；AlAsSb系列即代表AlAsx4Sb(1-x4)，其中，0≦x4≦1；InGaAsP系列即代表Inx5Ga1-x5As1-y4Py4，其中，0≦x5≦1，0≦y4≦1；InGaAsN系列即代表Inx6Ga1-x6As1-y5Ny5，其中，0≦x6≦1，0≦y5≦1；AlGaAsP系列即代表Alx7Ga1-x7As1-y6Py6，其中，0≦x7≦1，0≦y6≦1；InGaPSb系列即代表Inx8Ga1-x8Py7Sb1-y7，其中，0≦x8≦1，0≦y7≦1。在本實施例中，第一型半導體結構811、第二型半導體結構812及活性區813的材料包含磷化銦鎵(InzGa(1-z)P)，其中，0<z<1。在其他實施例中，第一型半導體結構811的材料可以為AlGaInAs：Zn系列、AlGaInP：Zn系列或InGaPSb：Zn系列，第二型半導體結構812的材料可以為AlGaInAs：Si系列、AlGaInP：Si系列或InGaPSb：Si系列，活性區813的材料可以為i-AlGaInAs系列、i-AlGaInP系列或i-InGaPSb系列。
第一電極墊83的材料可以與第二電極墊84的材料相同或不同，在一實施例中，第一電極墊83與第二電極墊84的材料包含金屬材料或透明導電材料。金屬材料可以包含但不限於如鋁(Al)、鉻(Cr)、銅(Cu)、錫(Sn)、金(Au)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉑(Pt)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、銻(Sb)、鈷(Co)或上述材料之合金等；透明導電材料可以包含但不限於如氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化銦鎢(IWO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦鋅(IZO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮 化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、類鑽碳薄膜(DLC)、或石墨烯。
第11圖為實施例與比較例的光接收元件之波長與反射率的關係圖。第A、B組的線條分別表示本揭露內容第一、二實施例的光接收元件之波長與反射率關係，第一、二實施例之光接收元件的結構大致相同(如第8圖所示)，且係均以Ⅲ-V族半導體作為第一半導體疊層81的材料，差異在於第一實施例之光接收元件的第一半導體疊層81的活性區813的材料為In0.51Ga0.49P，第二實施例之光接收元件的第一半導體疊層81的材料為(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P。第C、D組的線條分別代表第一、二比較例的光接收元件之波長與反射率關係，比較例的光接收元件皆為以Ⅳ族半導體疊層作為半導體疊層的材料，例如：矽(Si)。
請參照第12A、12B圖所示，分別為第一、二比較例的光接收元件的剖面示意圖，第12A、12B圖僅為示意，第一、二比較例的光接收元件可能包含其他構件。第一比較例的光接收元件包含一矽半導體層L1、一第一電極墊L2及一第二電極墊L3分別位於矽半導體層L1的相對兩側，第二比較例的光接收元件之結構與第一比較例的光接收元件相似，差異在於第二比較例的光接收元件另包含一布拉格反射層L4於光接收元件的主要吸光面S上。布拉格反射層L4包含複數個第一層及複數個第二層互相交疊，第一層的材料之折射率不同於第二層材料之折射率，且兩者之間的折射率超過0.8以達到較佳的濾波效果，例如第一層及第二層的材料分別為二氧化矽(SiO2)與二氧化鈦(TiO2)。第11圖的光接收元件之波長與反射率之圖譜係使用HITACHI品牌的U-4100儀器量測而得。
參考第11圖中第A、B組線條，在第一、二實施例中，光接收元件對於400nm~800nm區間的光具有小於20%的反射率。參考第11圖中第C、D組線 條，第一、二比較例的光接收元件對於400nm~800nm區間的光具有明顯較大的反射率，例如：第C組線條具有兩個波峰分別為反射率為44%的450nm及反射率為37%的680nm，第D組線條在650nm~1000nm區間的光具有高於80%的反射率。此外，第一、二實施例的光接收元件在接收波段為綠光波段(500nm~580nm的波長區間)的反射率幾乎沒有震盪的情況出現，而第二比較例(第D組線條)的光接收元件則在上述接收波段的震盪波長約為15~20nm，此震盪差異係為第二比較例的光接收元件具有布拉格反射層的緣故。上述震盪波長為在該波長區間的範圍內，兩鄰近波峰之間的波長差異，或兩波谷之間的波長差異。
第13圖為第一、二實施例(第A、B組線條)與第一、二比較例(第C、D組線條)的光接收元件之波長與外部量子效率(EQE)的關係圖。參考第A組線條，第一實施例的光接收元件具有最大外部量子效率的波長為475nm，外部量子效率約為92%。參考第B組線條，第二實施例的光接收元件具有最大外部量子效率的波長為477nm，外部量子效率約為85%。參考第C組線條，第一比較例的光接收元件具有最大外部量子效率的波長為840nm，外部量子效率約為74%。參考第D組線條，第二比較例的光接收元件具有最大外部量子效率的波長為620nm，外部量子效率約為75%。。
參考第C組線條，第一比較例的光接收元件包含Ⅳ族半導體疊層，且未具有布拉格反射層(參考第12A圖結構)，在500nm~700nm波長的外部量子效率為53%~70%，且700nm至1000nm之間波長的外部量子效率大於60%，為70%~74%。參考第D組線條，第二比較例之光接收元件包含Ⅳ族半導體疊層，且具有布拉格反射層L4位於主要吸光面S上，且布拉格反射層L4係設計用以反射波長介於700nm至1000nm的光，亦即布拉格反射層L4用於濾除非接收波段的光 (非接收波段的相關描述請參考後續段落)，因此上述範圍的入射光大部分可被阻擋進入第二比較例的光接收元件中進而產生電訊號。因此，第二比較例的光接收元件在500nm至680nm之間波長的外部量子效率為52%~75%，在700nm至1000nm之間波長的外部量子效率則小於40%。然而，在第一、二實施例中，光接收元件對於在500nm~580nm的光具有大於70%、較佳大於78%、更佳大於83%的外部量子效率，第一實施例的光接收元件在上述波長範圍(500nm~580nm)中，更高達大於90%的外部量子效率。在不具有布拉格反射層的情況下，第一、二實施例之光接收元件對於介於700nm~1000nm的光即具有小於10%、較佳小於3%的外部量子效率。第一、二實施例與第一、二比較例的光接收元件在接收波段為綠光波段(500nm~580nm的區間)雖皆具有大於40%的外部量子效率，然而，當偵測環境中具有波長為700nm~800nm的紅外光時，第一、二實施例、以及第二比較例的光接收元件較不易受到影響，且提升感測結果的精準度。第一、二實施例且較第一、二比較例的光接收元件具有高的一訊號比，訊號比的定義容後作說明。此外，第一、二實施例相較於第二比較例，第一、二實施例的光接收元件可以省略製備布拉格反射層的繁複工藝，以簡化光接收元件的製程及降低成本。換言之，第一、二實施例相較於第一、二比較例的光接收元件在接收波段中的轉換效率較高，當待感測訊號在接收波段且較微弱時，第一、二實施例的光接收元件的仍會產生相對應之光電流。此外，因為非接收波段的外部量子效率很低，所以光接收元件不被大於700nm波段的紅光、紅外光...等環境光干擾，因此第一、二實施例光接收元件輸出電流訊號會有極佳的訊雜比，進而使感測結果精準度較高。第13圖的波長與外部量子效率之圖譜係使用OPTOSOLAR品牌的SR300儀器量測而得。
光接收元件的訊號比可由一接收波段中選定一波長範圍的外部量子效率之積分面積除以非接收波段中選定一波長範圍的外部量子效率之積分面積而得。舉例而言，接收波段選定的波長範圍為綠光波段中的500nm~550nm，且非接收波段選定的波長範圍為大於接收波段的波長600nm~700nm，即以下列公式一計算而得，其中，λ為波長(nm)，EQE為外部量子效率(%)。
Figure 108143239-A0305-02-0045-1
參考第13圖，接收波段為綠光波段時，第一、二實施例、以及第二比較例(第A、B、D組線條)，在非接收波段同樣具有較低的外部量子效率。根據上述訊號比之定義，第一、二實施例的訊號比大於第二比較例的訊號比，且第一、二實施例的訊號比大於1.4，較佳大於1.6，而第二比較例的光接收元件之訊號比則不超過1.2。詳言之，第一實施例的訊號比為1.63、第二實施例的訊號比為4.8、且第二比較例的訊號比為1.15。
參考第13圖，接收波段為綠光波段時，上表面未具有布拉格反射層之第一比較例的光接收元件(第C組線條)，其接收波段的外部量子效率小於非接收波段的外部量子效率。第二組比較例的光接收元件(第D組線條)，因上表面具有布拉格反射層，因此非接收波段的光線僅少量的進入光接收元件吸收轉換為電訊號，使得接收波段的外部量子效率亦遠大於非接收波段的外部量子效率，其差距≧40%且≦75%。相對地，本發明實施例之光接收元件不具有布拉格反射層且其於非接收波段的外部量子效率相對低，因此當接收波段及非接收 波段的光線皆進入光接收元件時，接收波段的外部量子效率與非接收波段的外部量子效率的差距可≧75%，較佳為≧80%，更佳為≧85%。
參考第13圖的第A組線條，第一實施例的光接收元件具有在接收波段(例如：500~580nm的綠光)中最大外部量子效率的波長(WA0)以及大於接收波段的非接收波段中外部量子效率降至2%的波長(WA1)，WA0與WA1相隔WA；WA1≧WA0；0nm<WA(=WA1-WA0)≦250nm，較佳為0nm<WA≦220nm。例如：WA0約為500nm，WA1約為680nm，WA約為180nm。參考第B組線條，第二實施例的光接收元件在接收波段(例如：500~580nm的綠光)中最大外部量子效率的波長(WB0)與非接收波段中外部量子效率降至為2%的波長(WB1)相隔WB；WB1≧WB0；0nm<WB(=WB1-WB0)≦200nm，較佳為0nm<WB≦180nm。例如：WB0約為500nm，WB1約為630nm，WB約為130nm。
第一實施例及第二實施例的光接收元件之主要吸光面具有一面積MA(mm2)≦6.5，較佳MA(mm2)≦5，更佳MA(mm2)≦4，例如：3mm2、2.25mm2、1mm2。在第13圖所示的光譜範圍內，第一實施例及第二實施例的光接收元件的最大外部量子效率分別為EQEA(%)及EQEB(%)。EQEA(%)或EQEB(%)/MA(mm2)≧13，較佳為EQEA(%)或EQEB(%)/MA(mm2)≧18，更佳為EQEA(%)或EQEB(%)/MA(mm2)≧20，且EQEA(%)或EQEB(%)/MA(mm2)≦95。例如：EQEA(%)或EQEB(%)=92與MA(mm2)=6.25、EQEA(%)或EQEB(%)=92與MA(mm2)=4、EQEA(%)或EQEB(%)=92與MA(mm2)=3、EQEA(%)或EQEB(%)=85與MA(mm2)=6.25、EQEA(%)或EQEB(%)=85與MA(mm2)=4、EQEA(%)或EQEB(%)=85與MA(mm2)=3。
第13圖中在接收波段為綠光波段(即：500nm~580nm)的範圍中，第一實施例及第二實施例的光接收元件的最大外部量子效率分別為EQEC(%)及EQED(%)。EQEC(%)或EQED(%)/MA(mm2)≧13，較佳為EQEC或EQED(%)/MA(mm2)≧18，更佳為EQEC(%)或EQED(%)/MA(mm2)≧20，且EQEC(%)或EQED(%)/MA(mm2)≦95，例如：EQEC(%)或EQED(%)=90與MA(mm2)=6.25、EQEC(%)或EQED(%)=90與MA(mm2)=4、EQEC(%)或EQED(%)=90與MA(mm2)=3、EQEC(%)或EQED(%)=84與MA(mm2)=6.25、EQEC(%)或EQED(%)=84與MA(mm2)=4、或EQEC(%)或EQED(%)=84與MA(mm2)=3。
第一比較例的光接收元件之主要吸光面具有一面積MB(mm2)大約為5以及最大外部量子效率EQEE，第二比較例的光接收元件之主要吸光面具有一面積MC(mm2)大約為9以及最大外部量子效率EQEF。在第13圖所示的光譜範圍內，第一比較例的光接收元件的最大外部量子效率EQEE(%)與面積MB具有一個比例，EQEE(%)/MB(mm2)大約為14，第二比較例的光接收元件的最大外部量子效率EQEF(%)與面積MC具有一個比例，EQEF(%)/MB(mm2)大約為8，皆小於第一、第二實施例的比值。在接收波段為綠光波段(即：500nm~580nm)的範圍中，第一比較例及第二比較例的光接收元件的最大外部量子效率分別為EQEG(%)及EQEH(%)。第一比較例的光接收元件的最大外部量子效率EQEG(%)與面積MB具有一個比例，EQEH(%)/MB(mm2)大約為11，第二比較例的光接收元件的最大外部量子效率EQEG(%)與面積MC具有一個比例，EQEH(%)/MB(mm2)大約為7，皆小於第一、第二實施例的比值。
參照第11、13圖所示，參考第A、B組線條，第一、二實施例的光接收元件對於波長為530nm的光的反射率小於5%，例如分別為2.47%及2.36%，第一、二比較例的光接收元件對於波長為530nm的光的反射率大於9%，例如分別為14.13%及9.75%。此外，第一、二實施例的光接收元件對於波長為530nm的光的外部量子效率大於80%，例如分別為89.88%及81.42%。第C、D組線條，第一、二比較例的光接收元件對於波長為530nm的光的外部量子效率小於65%，例如分別為55.81%及59.98%。
第14A、14B圖為本揭露內容之光接收元件的另一實施例之簡易立體示意圖及上視圖。與上述實施例的光接收元件8相似，本實施例的光接收元件8a包含基板82及位於其上的第一半導體疊層81，差異在於本實施例的光接收元件8a另包含第二半導體疊層81a位於第一半導體疊層81及基板82之間。本實施例之第二半導體疊層81a與第一半導體疊層81係包含以Ⅲ-V族半導體化合物作為吸收光的活性區，第二半導體疊層81a的結構可以與第一半導體疊層81相同，例如包含第一型半導體結構、活性區及第二型半導體結構(圖未示)，其結構亦可以與第一半導體疊層81的結構不同，在此並不設限。
再者，光接收元件8a包含第一電極墊83、83a及第二電極墊84、84a，第一電極墊83及第二電極墊84位於第一半導體疊層81遠離基板82的一側上，以電性連接於第一半導體疊層81，藉此傳導第一半導體疊層81吸收第一波長的光而產生的第一光電流。第一電極墊83a及第二電極墊84a位於第二半導體疊層81a遠離基板82的一側上，且電性連接於第二半導體疊層81a，藉此傳導第二半導體疊層81a吸收第二波長的光後產生的第二光電流。第一半導體疊層81包含一凹陷區C1以暴露出第一型半導體結構811，第一電極墊83及第二電極墊84分別位於第 二型半導體結構812及凹陷區C1上。類似地，第二半導體疊層81a包含一凹陷區C2以暴露出第一型半導體結構，第一電極墊83a及第二電極墊84a分別位於第二型半導體結構及凹陷區C2上。
如上所述，第一波長可等於、小於或大於第二波長。換言之，第二半導體疊層81a的活性區的能隙不同或相同於第一半導體疊層81的活性區813的能隙，較佳地，第一半導體疊層81的活性區813的能隙大於第二半導體疊層81a的活性區813的能隙。本實施例的第一半導體疊層81的活性區813的能隙為2.138eV~2.58eV，以吸收波長範圍在480nm~580nm的光，第二半導體疊層81a的活性區813的能隙為1.77eV~2.138eV，以吸收波長範圍在580nm~700nm的光，例如：第一半導體疊層81的活性區813之材料為能隙為2.25eV的InGaP，能夠吸收550nm的綠光，第二半導體疊層81a的活性區之材料為能隙為1.88eV的InGaAs，能夠吸收660nm的紅光。
在另一實施例中，第一半導體疊層81的能隙為1.65eV~4.13eV，以吸收波長範圍在300nm~750nm的光，第二半導體疊層81a的能隙為1.21eV~1.65eV，以吸收波長範圍在750nm~1025nm的光。第一半導體疊層81的活性區813可為AlGaInP系列的材料，例如：InGaP，第二半導體疊層81a的活性區可以為AlGaAs系列或InGaAsP系列的材料，例如：InGaAs。
第一比較例係為以矽作為半導體疊層的光接收元件，且矽對500nm~1000nm的入射光皆具有高於40%的外部量子效率。雖然第一比較例的光接收元件能夠如本實施例的光接收元件8a一般，同時吸收550nm及660nm的光並轉換為電訊號，惟其所產生的電流訊號卻無法因吸收的波長不同而分別出來，亦即雖然上述兩個波長的光均可被第一比較例的光接收元件吸收進而產生光電 流，卻無法藉由第一比較例的光接收元件得知偵測環境中確切的光波長為何，以及兩種波長在偵測環境中的強度比值等更進一步的訊息。與第一比較例相比，本實施例的光接收元件8a能夠同時得到來自不同波長入射光的光電流且分辨出其所吸收的波長，藉此增加對偵測環境光源的鑑別率，應用於生醫感測上有其優勢。
第14C、14D圖分別為另一實施例的光接收元件8b之立體示意圖及上視圖。此實施例之光接收元件8b大致與光接收元件8a相同，差異在於第一電極墊83、83a和第二電極墊84、84a、84b的排列方式及第一半導體疊層81的形狀不同。詳言之，本實施例的第一半導體疊層81具有一側壁W1與第二半導體疊層81a之側壁W2共平面，藉此，由上視圖觀之，第一電極墊83、83a及第二電極墊84、84a係可排列成一直線。因此，本實施例的光接收元件8b之第一半導體疊層81較第14A、14B圖之光接收元件8a具有較大的吸光面以增加光電轉換效率。
第14E、14F圖分別為另一實施例的光接收元件8c之立體示意圖及上視圖。此實施例之光接收元件8c大致與光接收元件8b相同，差異在於本實施例的第一電極墊83及第二電極墊84設於第一電極墊83a及第二電極墊84a之間。如同第14C、14D圖的光接收元件8b，光接收元件8c之第一半導體疊層81較第14B圖之光接收元件8a具有較大的吸光面，藉此增加光電轉換效率。
第15A、15B圖為本揭露內容之光接收元件8d的另一實施例之立體示意圖及上視圖。與上述實施例的光接收元件8a相似，本實施例的光接收元件8d包含基板82及依序位於其上的第二半導體疊層81a、第一半導體疊層81，差異在於本實施例的光接收元件8d另包含第三半導體疊層81b位於第二半導體疊層81a及基板82之間。本實施例之第三半導體疊層81b、第二半導體疊層81a、第一半導 體疊層81係包含Ⅲ-V族半導體化合物作為吸收光的活性區，第三半導體疊層81b的結構可以與第一半導體疊層81相同，例如包含第一型半導體結構、活性區及第二型半導體結構(圖未示)，在此並不設限。
光接收元件8d另包含第一電極墊83b及第二電極墊84b位於第三半導體疊層81b遠離基板82的一側上，以電性連接於第三半導體疊層81b，藉此傳導第三半導體疊層81b吸收第三波長的光而產生的第三光電流。第三半導體疊層81b包含一凹陷區C3以暴露出第二型半導體結構，第一電極墊83b及第二電極墊84b分別位於第一型半導體結構及凹陷區C3上。
如上所述，第三波長等於、大於或小於之第二波長及第一波長。換言之，第三半導體疊層81b的能隙相同或不同於第一半導體疊層81及第二半導體疊層81a的能隙。較佳地，第三半導體疊層81b的能隙小於第二半導體疊層81a，且第二半導體疊層81a的能隙小於第一半導體疊層81。本實施例的第一半導體疊層81的能隙為2.138eV~2.58eV，以吸收波長範圍在480nm~580nm的光，第二半導體疊層81a的能隙為1.77eV~2.138eV，以吸收波長範圍在580nm~700nm的光，第三半導體疊層81b的能隙為0.73eV~1.55eV，以吸收波長範圍在800nm~1696nm的光，例如：第一半導體疊層81的活性區813之材料為能隙為2.25eV的InGaP，能夠吸收550nm的綠光，第二半導體疊層81a的活性區之材料為能隙為1.88eV的InGaAs，能夠吸收660nm的紅光，第三半導體疊層81b的活性區之材料為能隙為0.95eV的InGaAs，能夠吸收1300nm的紅外光。
由於本實施例中的光接收元件8b具有不同能隙的第一半導體疊層81、第二半導體疊層81a及第三半導體疊層81b，得以吸收不同波長的入射光，藉此可以同時偵測環境中多個波長的光。
第15C、15D圖分別為光接收元件8e的另一實施例之簡易立體圖及上視圖。本實施例的光接收元件8e大致與第15A、15B圖相同，差異在於第一電極墊83、83a、83b、第二電極墊84、84a、84b的排列方式及第一半導體疊層81、第二半導體疊層81a的形狀不同。詳言之，第一半導體疊層81具有一側壁W1與第二半導體疊層81a之側壁W2共平面，且。第二半導體疊層81a具有一側壁W2與第三半導體疊層81b之側壁W3共平面，藉此，由上視圖觀之，第一電極墊83、83a、83b及第二電極墊84、84a、84b係可排列成一直線。因此，本實施例的光接收元件8e相較於第15A、15B圖的光接收元件8d具有更大的第一半導體疊層81及第二半導體疊層81a，藉此增加光電轉換效率。
第16圖為本揭露內容一實施例的半導體元件9之剖面圖。半導體元件9可以為光接收元件。半導體元件9包含一第一半導體疊層91及一第二半導體疊層92位於第一半導體疊層91上，一中間結構93位於第一半導體疊層91及第二半導體層92之間。本實施例中的半導體元件9另包含一基板94，第一半導體疊層91、中間結構93及第二半導體疊層92依序位於基板94上。第一半導體疊層91及第二半導體層92的結構可以與上述實施例中的第一半導體疊層81相同或相異。詳言之，第一半導體疊層91包含一第一型半導體結構911、一活性區912及一第二型半導體結構913依序位於基板94上；第二半導體層92包含一第一型半導體結構921遠離第一半導體層91、一活性區922及一第二型半導體結構923鄰近第一半導體疊層91的第二型半導體結構913。第一半導體疊層91的活性區912之吸收能隙可以選擇與第二半導體疊層92的活性區922之吸收能隙相同或相異。在本實施例中，第一半導體疊層91的活性區912之吸收能隙小於第二半導體疊層92的活性區922之吸收能隙，藉此對不同波段的光產生不同的電流訊號。第一半導體疊層91 產生的光電流由一第一電極墊914及一第二電極墊915傳導，第二半導體疊層92產生的光電流由一第一電極墊924及一第二電極墊925傳導。此外，第一型半導體結構911、921具有相同的導電型態，例如：皆為N型，且第二型半導體結構913、923具有相同的導電型態，例如：皆為P型。
中間結構93包含一高傳導層931、一第一屏蔽層932及一第二屏蔽層933。第一屏蔽層932位於高傳導層931與第一半導體疊層91的第二型半導體結構913之間，且第二屏蔽層933位於高傳導層931與第二半導體疊層92的第二型半導體結構923之間。高傳導層931的材料可以為金屬、合金或具高摻雜的半導體層，當高傳導層931的材料為具高摻雜的半導體層時，摻雜於高傳導層931的摻雜物可以使高摻雜層931具有與第一型半導體結構相同或相異的導電型態。
當其中一個半導體疊層吸收一光時，會於其內產生電子電洞對，且電子電洞會相對應地於中間結構93產生感應電荷，若感應電荷累積於中間結構93，對於半導體元件9會有不利的影響。中間結構93之高傳導層931的設置可避免感應電荷累積於中間結構93。特別是，當以不同頻率之脈衝光使第一半導體疊層91及第二半導體疊層92產生光電流時，為了避免兩個光電流產生電流串擾，高傳導層931的設計顯得重要。舉例而言，若無設置高傳導層931，第一半導體疊層91照射一第一頻率的光時，將使第二半導體疊層92產生感應電荷，造成第二半導體疊層92的輸出電訊號產生雜訊。簡言之，如未設置高摻雜層931，第一半導體疊層91及第二半導體疊層92均會因彼此的作動受到干擾，產生電訊號之頻率、振幅、波形等的變化。此外，第一屏蔽層932及第二屏蔽層933係用以將第一半導體疊層91及第二半導體疊層92電性隔絕，以達到獨立控制第一半導體疊層91及第二半導體疊層92的功效。在本實施例中，高傳導層931的摻雜物濃度大於第一型 半導體結構913、923，高摻雜層931的摻雜物濃度大於1×1017cm-3。於本實施例中，第一屏蔽層932及第二屏蔽層933的電阻值皆大於1×106歐姆。此外，為了使光可以照射到第一半導體疊層91，中間結構93較佳對於第一半導體疊層91的接收波段具有高穿透率，例如穿透率大於85%。
本實施例的第一半導體疊層91、中間結構93及第二半導體疊層92較佳可以透過磊晶連續性生長獲得，可省略接合第一半導體疊層91及第二半導體疊層92的製程工序，以達到節省製程成本的功效。然而，在其他實施例中，第一半導體疊層91、中間結構93及第二半導體疊層92亦可以透過轉移及接合製程互相結合在一起。在另一實施例中，中間結構93可以選擇包含一第一第一型半導體層、一第二型半導體層及一第二第一型半導體層依序堆疊於第一半導體疊層91的第二型半導體結構913上，以形成一NPN結構或一PNP結構，亦可達到上述防止第一半導體疊層91及第二半導體疊層92之間產生電流串擾的目的。本實施例所述之中間結構93亦可應用於光接收元件8a~8e的第一半導體疊層81和第二半導體疊層81a之間，及/或光接收元件8d~8e的第二半導體疊層81a及第三半導體疊層81b之間。
需了解的是，本發明中上述之諸多實施例在適當的情況下，是可以彼此互相組合或替換，而非僅限於所描述之特定實施例。本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易見之修飾或變更接不脫離本發明之精神與範圍。
100:光學感測模組
111:第一光發射元件
112:第二光發射元件
131:光接收元件
124:第一空間
125:第二空間
126:第三空間
122、123:擋牆
G:間隔

Claims (10)

  1. 一種光學感測模組，包含一承載體；一光發射元件位於該承載體上；一光接收元件包含III-V族半導體材料且位於該承載體上，具有一吸光面以及一最大外部量子效率的一第一接收波長；其中，該吸光面具有一面積，該最大外部量子效率與該面積的比值≧13(%/mm2)。
  2. 如申請專利範圍第1項的光學感測模組，其中，該光接收元件具有一第二接收波長，該光接收元件在該第二接收波長的外部量子效率降低至2%的該最大外部量子效率，且該第一接收波長與該第二接收波長的波長差距不大於200nm。
  3. 如申請專利範圍第1項的光學感測模組，其中，該最大外部量子效率大於78%。
  4. 如申請專利範圍第1項的光學感測模組，其中，該承載體包含一第一檔牆、一第二檔牆、一第三檔牆，該光發射元件位於該第一檔牆與該第二檔牆之間，該光接收元件位於該第二檔牆與該第三檔牆之間。
  5. 如申請專利範圍第4項的光學感測模組，其中，該第一檔牆與該第二檔牆面對該光發射元件的內表面包含有一反射層。
  6. 如申請專利範圍第4項的光學感測模組，其中，該第二檔牆與該第三檔牆面對該光接收元件的內表面包含有一吸光層，該吸光層不易反射光線。
  7. 如申請專利範圍第4項的光學感測模組，其中，該承載體包含一載板，該光發射元件位於該載板上，該第一檔牆相對於該載板具有一第一傾斜角，該第二檔牆相對於該載板具有一第二傾斜角，該第一傾斜角不與該第二傾斜角相等。
  8. 如申請專利範圍第1項的光學感測模組，其中，該光接收元件包含一半導體疊層，該半導體疊層具有一主要吸光面及一電極墊位於該主要吸光面上，該電極墊的面積為該主要吸光面的面積的0.08%~5%。
  9. 如申請專利範圍第1項的光學感測模組，其中，該光接收元件包含一基板、一第一半導體疊層、及一第二半導體疊層位於該第一半導體疊層及該基板之間。
  10. 如申請專利範圍第9項的光學感測模組，其中，該第一半導體疊層具有一能隙大於該第二半導體疊層的一能隙。
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