TWM637704U - 光學感測模組 - Google Patents

Abstract

一種光學感測模組，適於接收感測光束。光學感測模組包括基板、感測區、電路區以及導光結構。基板具有頂面。感測區配置於基板內，連接於頂面。電路區配置於基板內，連接於頂面，且設置感測區的周圍。導光結構配置於基板上方，其中導光結構具有內壁，環繞於在垂直基板的方向上重疊感測區的入射空間。內壁形成等效反射面，且內壁的內徑由鄰近基板的頂面至遠離頂面逐漸變大。

Description

光學感測模組

本新型創作是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種光學感測模組。

如圖1所顯示的習知技術，在以前照式(Front Side Illumination,FSI)製程製作的光感測元件10中，會設計遮光結構12在光電二極體的上方，以避免光照到光電二極體的非感測區域16而產生預期外的光電效應。然而，此種作法將導致有部分的入射光L0被遮光結構12擋住，進而使感測效果下降。如果能使光電二極體的感測區域14能收到這部分的光，則能有效提升感測區域14的收光效率。

本新型創作提供一種光學感測模組，可提高收光效率及感測效果。

本新型創作提供一種光學感測模組，適於接收感測光束。光學感測模組包括基板、感測區、電路區以及導光結構。基 板具有頂面。感測區配置於基板內，連接於頂面。電路區配置於基板內，連接於頂面，且設置感測區的周圍。導光結構配置於基板上方，其中導光結構具有內壁，環繞於在垂直基板的方向上重疊感測區的入射空間。內壁形成等效反射面，且內壁的內徑由鄰近基板的頂面至遠離頂面逐漸變大。

基於上述，在本新型創作的光學感測模組中，光學感測模組包括基板、感測區、電路區以及導光結構。其中導光結構配至於基板上方，且具有內壁，圍繞於在垂直方向上重疊於感測區的入射空間，而內壁的內徑由鄰近基板至遠離基板逐漸變大。藉此，內壁可形成等效反射面，用以將未能直接入射到感測區的感測光束通過反射而進入感測區。如此一來，可使未直射至感測區的感測光束能不浪費而有效被感測區接收，進而提高收光效率及感測效果。

為讓本新型創作的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10:光感測元件

12:遮光結構

14:感測區域

16:非感測區域

100,100A:光學感測模組

110:基板

115:感測單元

120:感測區

130:電路區

140,140A:導光結構

142:反射層

210:反射頂面

220:反射側面

A:底角

B1:方向

D1:內徑

D2~D4:寬度

E:入射空間

L0:入射光

L:感測光束

L1:第一光束

L2:第二光束

R1,R2:等效反射面

S:內壁

S1:頂面

S2:入光面

圖1為習知的光感測元件的剖面示意圖。

圖2為本新型創作一實施例的光學感測模組的剖面示意圖。

圖3為圖2的光學感測模組的上視示意圖。

圖4為本新型創作另一實施例的光學感測模組的剖面示意 圖。

圖2為本新型創作一實施例的光學感測模組的剖面示意圖。圖3為圖2的光學感測模組的上視示意圖。請參考圖2及圖3。本實施例提供一種光學感測模組100，適於接收感測光束L。舉例而言，光學感測模組100例如可應用於光學指紋辨識或距離感測，而感測光束L則例如為經外部物體(如手指)反射的反射光，其波長例如為小於或等於2微米，但本新型創作並不限於此。

光學感測模組100包括基板110、感測單元115以及導光結構140，感測單元115包括感測區120及電路區130。基板110的材料例如是矽(Si)，具有頂面S1。感測單元115可以例如是單光子崩潰二極體(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)或光電二極體(Photodiode)等光學感測半導體元件，配置於基板110內，且連接於頂面S1。感測區120例如是光接收區(active area)，而電路區130則例如是用以將感測區120所接收之光信號相應電流讀出並轉換的讀出電路(readout circuit)。具體而言，感測區120具有入光面S2，且入光面S2與基板110的頂面S1共平面，但亦可為非共平面，本新型創作並不限於此。電路區130配置於基板110內，連接於頂面S1，且設置於感測區120周圍，電路區130可與基板110的頂面S1共平面，但亦可為非共平面，本新型創作並不限於此。

導光結構140配置於基板110上方，其中導光結構140具有內壁S，且內壁S環繞入射空間E。所述入射空間E是在垂直基板110的方向B1上重疊感測區120的立體空間，且入射空間E在基板110上的正投影面積大於感測區120面積，而感測光束L可自光學感測模組100外側通過入射空間E傳遞至感測區120。在本實施例中，內壁S形成等效反射面R1，用以反射入射到內壁S的感測光束L，且內壁S的內徑D1由鄰近頂面S1至遠離頂面S1逐漸變大。因此，當感測光束L由外側朝光學感測模組100入射時，感測光束L中位於中央位置的第一光束L1(意即，在入射空間E中不需經過反射而可直接地入射至感測區120的感測光束L)直接地由外側通過入射空間E照射至感測區120，而感測光束L中位於周圍位置的第二光束L2(意即，無法直接地入射至感測區120的感測光束L)由外側進入入射空間E並照射至內壁S，藉由等效反射面R1的作用反射至感測區120。如此一來，可擴大感測區120的收光範圍，使原本未能直接入射至感測區120的第二光束L2能不浪費而有效利用，進而提高收光效率及感測效果。

在垂直於基板110的延伸方向B1上，導光結構140不重疊感測區120，且導光結構140至少部分重疊電路區130。在本實施例中，導光結構140在頂面S1上完全地覆蓋電路區130。意即，導光結構140連接於感測區120的邊緣。更具體地說，導光結構140的內壁S在頂面S1上環繞感測區120的邊緣。因此，可進一步避免感測光束L照射至電路區130，提供遮光功能，進而提升 感測效果。

另一方面，在本實施例中，內壁S的內徑變化呈階梯狀變化。但在不同的實施例中，內壁S的內徑變化可以為或近似為連續變化，本新型創作並不限於此。具體而言，在本實施例中，導光結構140由多個反射層142堆疊而成，反射層142的材料例如為金屬，具體可例如為銅、鋁或鎢。而在製作過程中，反射層142可藉由介電材料填充且以不限定的製程方式堆疊而成。多個反射層142的數量例如為大於或等於2且小於或等於6，本實施例以6個反射層142說明為例。然而，本新型創作並不以此為限，在較佳的實施例中，能使用的反射層142的層數越多，則近似斜面的效果越好，且能收集到更多的光。

各反射層142包括連接的反射頂面210及反射側面220，且這些反射頂面210與反射側面220連接形成為內壁S，其中反射頂面210即為各反射層142中未被其他反射層142所覆蓋的平面。具體而言，各反射層142例如是形成在基板110及感測單元115上的金屬線路層(metal layer)，其中，反射頂面210為金屬導線(metal wire)，而反射側面220則可為連接各金屬線路層的通孔(via)。在本實施例中，各反射頂面210在水平方向上的寬度D2皆相等，且小於或等於感測光束L的波長。換句話說，各反射層142在水平方向上的間距呈現等差配置。例如當感測光束L為波長小於1微米的紅外光時，每個反射頂面210的寬度D2可以是940奈米以下。因此，多個反射層142形成一相當於斜平面的等效 反射面R1，使感測光束L中的第二光束L2入射到金屬材質的等效反射面R1，並反射到感測區120。在較佳的實施例中，等效反射面R1與頂面S1夾有底角A，且底角A介於45度至90度之間，可提高收光效率。圖3所顯示各反射層142呈圓角四邊形僅為示意，在不同實施例中，可依感測區120周圍的實際形狀而相應設計各反射層142，本新型創作並不限於此。

圖4為本新型創作另一實施例的光學感測模組的剖面示意圖。請參考圖4。本實施例的光學感測模組100A類似於圖2所顯示的光學感測模組100。兩者不同之處在於，在本實施例中，導光結構140A的多個反射層142的反射頂面210的寬度由鄰近頂面S1至遠離頂面S1縮小以形成一相當於曲面的等效反射面R2。舉例而言，本實施例同樣以6個反射層142說明為例，其中最鄰近頂面S1的反射頂面210在水平方向上的寬度D4大於次鄰近頂面S1的反射頂面210在水平方向上的寬度D3，且次鄰近頂面S1的反射頂面210在水平方向上的寬度D3大於第三鄰近頂面S1的反射頂面210在水平方向上的寬度D2，依此類推，而這些寬度D2、D3、D4皆不相等。具體而言，這些寬度D2、D3、D4呈現等比級數。

在本實施例中，最接近頂面S1的反射頂面210的寬度D4小於或等於感測光束L的波長。由於所述反射頂面210的水平方向寬度由鄰近頂面S1至遠離頂面S1逐漸縮小，且寬度皆小於或等於感測光束L的波長，因此由多個反射頂面210及多個反射 側面220所形成的等效反射面R2對感測光束L而言係為曲面。如此一來，可使未直射至感測區120的感測光束L能通過在等效反射面R2的反射而被感測區120接收，避免浪費而有效再利用，進而提高收光效率及感測效果。

本新型創作的光學感測模組中，還可進一步包括設置在導光結構上方的濾光單元或濾波單元(未繪示)，用以過濾特定波段的可見或不可見光。此外，在濾光或濾波單元上方更可包括透鏡(未繪示)，用以匯聚感測光束L，以進一步增加進入入射空間E的光量，但本新型創作不限於此。

綜上所述，在本新型創作的光學感測模組中，光學感測模組包括基板、感測區、電路區以及導光結構。其中導光結構配至於基板上方，且具有內壁，圍繞於在垂直方向上重疊於感測區的入射空間，而內壁的內徑由鄰近基板至遠離基板逐漸變大。藉此，內壁可形成等效反射面，用以反射未直射感測區的感測光束。如此一來，可使未直射至感測區的感測光束能不浪費而有效再利用，進而提高收光效率及感測效果。此外，本新型創作可改良半導體製程中的金屬佈線層的形狀或組合，以形成光學感測模組的導光結構，無需增加額外的元件即可同時達成增加感光效率及避免不必要光電感應的功效。

雖然本新型創作已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本新型創作的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本新 型創作的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:光學感測模組

110:基板

115:感測單元

120:感測區

130:電路區

140:導光結構

142:反射層

210:反射頂面

220:反射側面

A:底角

B1:方向

D1:內徑

D2:寬度

E:入射空間

L:感測光束

L1:第一光束

L2:第二光束

R1:等效反射面

S:內壁

S1:頂面

S2:入光面

Claims (13)

1. 一種光學感測模組，適於接收感測光束，所述光學感測模組包括： 基板，具有頂面； 感測區，配置於所述基板內，連接於所述頂面； 電路區，配置於所述基板內，連接於所述頂面，且設置所述感測區的周圍；以及 導光結構，配置於所述基板上方，其中所述導光結構具有內壁，環繞於在垂直所述基板的方向上重疊所述感測區的入射空間，所述內壁形成等效反射面，且所述內壁的內徑由鄰近所述基板的所述頂面至遠離所述頂面逐漸變大。
2. 如請求項1所述的光學感測模組，其中所述內壁的內徑變化呈階梯狀變化或連續變化。
3. 如請求項1所述的光學感測模組，其中所述導光結構由多個反射層堆疊而成，各所述多個反射層包括連接的反射頂面及反射側面，且所述多個反射頂面與所述多個反射側面形成所述內壁。
4. 如請求項3所述的光學感測模組，其中所述多個反射層的數量大於或等於2且小於或等於6。
5. 如請求項1所述的光學感測模組，其中所述等效反射面與所述頂面夾有底角，且所述底角介於45度至90度之間。
6. 如請求項1所述的光學感測模組，其中所述感測光束的波長大於或等於940奈米。
7. 如請求項1所述的光學感測模組，其中所述感測區具有入光面，所述入光面與所述基板的所述頂面共平面。
8. 如請求項1所述的光學感測模組，其中在垂直於所述基板的延伸方向上，所述導光結構不重疊所述感測區，且所述導光結構重疊所述電路區。
9. 如請求項1所述的光學感測模組，其中所述導光結構在所述頂面上完全地覆蓋所述電路區。
10. 如請求項1所述的光學感測模組，其中所述導光結構連接於所述感測區的邊緣。
11. 如請求項3所述的光學感測模組，其中各所述多個反射頂面的寬度小於等於所述感測光束的波長。
12. 如請求項3所述的光學感測模組，其中所述多個反射層的所述多個反射頂面在水平方向上的寬度皆相等。
13. 如請求項3所述的光學感測模組，其中所述多個反射層的所述多個反射頂面的寬度由鄰近所述頂面至遠離所述頂面縮小以使所述等效反射面形成為曲面。

Images