技术领域
[0002] 本申请涉及一种环境光探测器。本申请还涉及环境光探测器、探测器阵列以及形成环境光传感器的方法。
相关背景技术
[0003] 环境光传感器(ALS)是一种电子设备，其测量环境照明的强度并输出与照明水平成比例的电信号。然后，该输出可用于控制照明设备的强度或色温。ALS可以包括光电二极管阵列和电流放大器。
[0004] 暗电流是即使没有光子进入器件时流经光敏器件(例如光电二极管)的相对较小的电流。当探测器没有被入射光照射时，暗电流由探测器中产生的电荷载流子组成。它是半导体的随温度变化的特性。暗电流可以通过加热光电二极管来增加，并且在二极管冷却时相应地减小。
[0005] 为了使用环境光传感器提供更好的测量结果，期望减少此类传感器中暗电流的影响。
具体实施方式
[0035] 环境光传感器是一种测量环境照明强度的电子设备。它以某种方式输出与照明有关的电信号，例如与照明成正比。但是，由于热运动和不同的环境温度，即使当传感器本身的光电二极管未点亮时，用于环境光测量的光电二极管也会提供较小的电流。这称为暗电流。为了实现暗电流抵消，通常使用第二光电二极管。图1说明了原理。抵消1包括传感器光电二极管11和暗电流光电二极管12。暗电流光电二极管被遮挡，使得无测出光可以到达二极管12的开口。在组合器15中，从光电二极管11减去二极管12的暗电流。结果在放大器14中放大，并提供给输出16。
[0036] 暴露的光电二极管11的总响应包括由入射环境光感应产生的光电流和(主要是热)产生的暗电流。暗电流二极管12仅提供暗电流。抵消使得传感器灵敏度提高，特别是在低照明水平下。
[0037] 为了获得良好的结果，光电二极管和暗电流二极管都应相似且彼此靠近布置。但是，以低入射角入射到光电二极管结构上的光或散射光可能会到达暗电流二极管，并在相邻结构之间产生串扰。
[0038] 为了提高灵敏度，提出了一种光电二极管阵列，其包括多个光电二极管结构；以及遮光罩，被布置为覆盖光电二极管结构的第一部分，同时允许环境光到达光电二极管结构的第二部分，第一部分限定了一组参考光电二极管，而第二部分限定了一组暴露的光电二极管。遮光罩相对于光电二极管结构布置成使得遮光罩的遮光材料覆盖参考光电二极管，使参考光电二极管免受环境光的照射，同时允许环境光到达其余的光电二极管结构，使得这些结构暴露于环境光。遮光罩包括遮光材料，使得遮光罩阻挡入射到遮挡结构上的光的至少90％或阻挡入射在遮挡结构上的光的至少99％。
[0039] 在当前公开的上下文中，短语“参考二极管”或“暗电流二极管”可用于被遮光罩完全覆盖的一组光电二极管结构中的光电二极管(当从沿光电二极管法线的观察点观看光电二极管时)。
[0040] 在当前公开的上下文中，短语“暴露的二极管”或“光电二极管”可用于最多部分地被遮光罩覆盖的一组光电二极管结构中的光电二极管(当从沿光电二极管法线的观察点观看光电二极管时)。
[0041] 图2示出了示例性实施例以说明一些方面。两个二极管被布置在彼此相邻的公共p基板(substrate，衬底)125中。每个二极管包括分别布置在p掺杂基板中的n掺杂阱112和122。公共阳极触点124布置在表面上以电接触基板125。触点113布置在n阱112上以电接触暴露的光电二极管11a。同样，触点123布置在参考二极管12a的阱122上。
[0042] 参考光电二极管和暴露的光电二极管优选地物理上相同并且彼此相距距离d。然而，由于制造差异，不能很好地控制n掺杂阱112和122的横向扩散。对于光电二极管和参考二极管，二极管之间可能会有所不同。结果，光电流分布和暗电流分布可能很大。
[0043] 为了减少这种分布的后果，根据所提出的原理，在参考二极管12a上方布置了阻挡元件，即，遮光罩121a。遮光罩121a所覆盖的面积大于基板中的参考二极管12a所覆盖的面积。换句话说，如图2所示，在该侧视图中，遮光罩121a的横向尺寸跨过包括n阱122的参考二极管的横向尺寸以及光电二极管和参考二极管之间的距离d延伸。因此，遮光罩在横向方向上重叠到光电二极管112的n阱上。在假设光电二极管的横向区域“延伸”到距离d的一半并且同样参考二极管延伸到距离d的一半的情况下，遮光罩121a完全和部分地覆盖参考二极管12a的区域，特别是在其表面处具有p基板的区域，特别是光电二极管的区域。遮光罩在光电二极管11a的整个区域上的重叠可以是几微米。例如，距离a可以在1μm和20μm之间。同样，总重叠量可以在5μm至50μm或更大的范围内。
[0044] 因此，遮光罩的开口小于光电二极管的相应面积。遮光罩121a可以包括铝或任何其他遮光材料。这种遮光材料通常是不可渗透的，并且将防止气体流过遮光罩的遮光区域。光电二极管阵列的制造通常包括退火步骤，该退火步骤可以在将遮光罩安装在光传感器上之后执行。为了获得对光电二极管结构的相似且有效的退火，优选地布置遮光罩，使得在遮光罩和光电二极管阵列之间存在用于氢的扩散流的空间。因此，遮光罩121a相对于参考二极管12a布置在距离h处，以在遮光罩和参考二极管之间提供这样的空间。其间的空间填充有退火的光刻胶、氧化硅或任何其他合适的材料。参考二极管12a的表面与遮光罩之间的距离h可以是几微米。距离h可以取决于遮光罩的尺寸。
[0045] 在一些实施例中，未被遮光罩重叠的一个未暴露的光电二极管的侧向面积与对应的透明区域的面积之间的比值，低于0.9，例如低于0.75，例如低于0.5。
[0046] 图3示出了说明在遮光罩和参考二极管之间的给定距离h下，入射光的结果串扰与重叠量的关系图。在这方面，“串扰”是入射光到达参考二极管并引起错误信号。可以看到，重叠的增加大大降低了串扰。由重叠引起的益处仍然高于由于光电二极管的较小照射区域而导致的信号损失。
[0047] 图4示出了环境光探测器电路的实施例，其示出了本申请的一些方面。该电路包括差分放大器150，其包括第一信号或电流路径151和第二信号或电流路径152。第一信号路径包括至少一个光电二极管11b和布置在输出节点IOUT和电源节点VDD之间的镜像晶体管158。第二信号路径包括至少一个参考二极管12b和参考晶体管153，它们也都串联布置在输出节点IOUT和供电节点VDD之间。如图4所示，有5个并联连接的参考二极管(M＝5)，此处仅显示一个符号。同样，在第一条电流路径中有20个光电二极管(M＝20)，其比率为1：4。
[0048] 在如图4所示的环境光探测器的操作中，在每个参考二极管和光电二极管中产生相等大小的暗电流。因此，流过第一电流路径151的暗电流比流过第二电流路径152的各个暗电流大4倍。为了补偿暗电流，使用晶体管153和154来补偿暗电流的差分放大器必须处理相应路径中的不同暗电流。
[0049] 为此，晶体管154和153形成电流镜。参考晶体管153和镜像晶体管154可以被实现为如图所示的场效应晶体管，但是根据需要可以使用诸如MOS-FET、BJT、MES-FET的不同种类的元件。晶体管153和154的栅极都连接到参考二极管和参考晶体管153之间的节点156，从而形成电流镜。这种电流镜以预定比率将通过参考晶体管的电流镜射到镜像晶体管中。该比率由两个晶体管的物理尺寸给定，由参数M给定。这种参数可以包括晶体管的沟道宽度，或其长度或它们的组合。在图4的示例中，镜射到晶体管154中的电流是通过参考晶体管的电流的4倍，从而匹配参考二极管和光电二极管的数量之间的比率。换句话说，通过第二电流路径中的参考二极管12b的暗电流被镜像为第一电流路径的4倍。因此，它被这个因子放大，且现在补偿第一电流路径中的暗电流。
[0050] 在节点155处施加输出信号。节点155还连接到布置在电源节点VDD和节点158之间的输出晶体管158的栅极。因此，它还构成放大器的输出级170的一部分。输出级170还包括电流镜级，其包括路径晶体管172，电阻器178和电流镜174。晶体管172的路径与电流镜174的晶体管175串联在电源节点VDD和输出节点IOUT之间。电阻器178与电流镜174的晶体管176串联在电源节点VDD和输出节点IOUT之间。晶体管175和176的栅极连接到晶体管172和
175之间的节点171，因此将通过晶体管175的电流镜像到晶体管176。
[0051] 晶体管172和晶体管158还包括由几何参数m以及它们各自的值m＝1和m＝M分别给定的预定电流比。换句话说，晶体管172的电流是晶体管158的M倍。晶体管158和172也形成镜像比为1：M的电流镜。流过晶体管158的电流被以M倍镜像到晶体管172中。再次，流过晶体管172的电流以相同的比率镜像到晶体管176中(晶体管175和176也包括1：N的比率，如图4所示)。因此，在操作中，节点IOUT的输出电流等于光电二极管电流乘以晶体管172和158的比率(M/1)乘以晶体管176和175的比率(N/1)：Iout＝Iphoto*M*N。
[0052] 在某些情况下，如图2所示，结构顶部的遮光罩可能会在结构内引入退火过程中残留的氢张力，从而改变参考二极管的特性。这可能导致第二电流路径中的参考二极管与第一电流路径中的光电二极管不匹配。为了失配补偿，提供补偿电路160。补偿电路包括在节点162处提供补偿信号的DAC。取决于是否必须添加或减去一些补偿信号，输出节点被选择性地耦接到第一或第二信号路径。
[0053] 参考图5，DAC可以包括参考节点VSS和电源节点VDD以及两个输出节点OUT1和OUT2。它们分别连接到第一和第二电流路径。DAC还包括多个补偿二极管D1至D14和开关S1至S14。每个二极管都具有一个串联连接的开关。二极管D1至D7与它们的相关开关并联布置在参考节点VSS和输出节点OUT1/OUT2之间。二极管D8至D14与其相关联的开关串联布置在电源节点VDD和输出节点OUT1/OUT2之间。切换另外两个开关S15和S16以选择性地将来自补偿二极管的信号提供给相应的输出节点。
[0054] 因此，每个补偿二极管可以被选择性地切换到路径中或从路径中切出，并且在输出节点之一处提供信号。选择二极管D1至D7(和D14至D8)的面积，以使一个二极管的面积为后续二极管的面积的一半。因此，8位逻辑信号开关二极管的连接可以提供256个不同的补偿值。代替二极管，可以使用普通晶体管。
[0055] 再次参考图4，因为电流放大器增益大并且取决于M*N的因数可能在数万的范围内，所以可能出现另一个问题。在例如通过激光器等非常明亮的照明的情况下，节点IOUT处的输出电流会非常大，从而导致过热并损坏环境光探测器。为了防止这种情况的发生，电路包括限流器。限流器使用输出级的电阻器178，并且还包括钳位晶体管180。钳位晶体管180布置在电源节点VDD和节点155之间。晶体管180的栅极连接到输出级的电阻器178和晶体管176。在操作中，总输出电流由电阻器178感测。当电阻器178两端的电压降达到预定阈值时，钳位晶体管的栅极导通，并向晶体管158和172的电流镜提供钳位信号。钳位信号设置晶体管158的栅极电压，将总输出限制为限定的最大输出电流值。这种最大输出电流值可以通过钳位晶体管180的阈值电压来设置，该阈值电压可以通过该晶体管的物理参数进行调节，再除以电阻器178的值即可。
[0056] 在另一方面，环境光探测器包括使用增益设置晶体管190的可选增益。环境光探测器可以包括几个数量级的动态LUX范围，例如在1mLUX至100kLUX的范围内。因此，需要不同的输出电流范围，以防止探测器过快地达到最大输出电流值。例如，在一些应用中，光传感器可能会暴露在需要低增益的高LUX范围内。例如，这可以在汽车应用中的仪表板上。另一方面，移动电话玻璃后面的传感器通常具有较低的光强度，因此可能需要较高的增益才能实现相同的灵敏度。图4描绘了两个不同的可选增益设置和永久增益设置的示例。可选增益的好处在于，可以减少管芯的库存，且简化探测器的制造，因为实际设置可以在以后的阶段确定。在给定示例中，增益设置晶体管布置在节点155和设置节点IDIV之间。增益设置晶体管190的栅极连接至节点155。在高增益设置中，节点IDIV未键合至电源节点VDD。在低增益设置中，节点IDIV绑定到电源节点VDD，且增益降低了G倍。总的来说，高增益模式下的输出电流由Iout＝Iphoto*M*N给出。低增益模式由Iout＝Iphoto*(M/G)*N给出。
[0057] 另一方面涉及参考和光电二极管在环境光探测器的表面上的布置。图6示出了具有第一多个光电二极管401和第二多个参考二极管的环境光探测器阵列的顶视图的示例。在所示的示例中，第一多个是第二多个的4倍，从而与图4上的放大器布置匹配。光电二极管和参考二极管以总长度D的模式排列。每个二极管的尺寸为d，照明面积为w。光电二极管和参考二极管的总体布局是共质心，中心处有参考二极管400a，且沿每个边缘的中间还有其他参考二极管。这减少了制造过程中的工艺梯度和变化，从而改善了匹配度。
[0058] 此外，根据所示示例的环境光探测器阵列包括2个“平衡边缘”。沿着探测器边缘的光电二极管401的数量是沿着该边缘的参考二极管的数量的4倍。例如，沿着探测器的左边缘有4个光电二极管401a至401d，而在中央有一个参考二极管400a，从而通过轴x形成镜面对称。换句话说，光电二极管和参考二极管的总数之比与沿着探测器边缘的光电二极管和参考二极管的比值匹配。这减少了探测器阵列的整体芯片面积，但即使边缘上有泄漏电流也能保持该比率。顶表面覆盖有透明材料，即环氧树脂，SOG或SiO等。如图中深色所示，遮光罩覆盖了每个参考二极管。遮光罩还在其横向尺寸上部分地在相邻的光电二极管(在此未示出)上扩展以减少串扰。由于暗电流基本上与照明水平无关，因此并非所有光电二极管都需要部分覆盖。结果，由二极管401d中的照明引起的光电流略大于光电二极管401c，因为后者的光电二极管被部分地覆盖。由于在差分放大器中汇总了由于照明而产生的光电流，因此可以补偿光电二极管之间的微小差异。
[0059] 图7示出了作为3×3棋盘的环境光探测器阵列的另一示例。在该实施例中，光电二极管与参考二极管之间的比率为6：3＝2：1。参考二极管在探测器阵列的棋盘布置内沿着对角线布置。尽管如此，沿着探测器阵列边缘的光电二极管与参考二极管之比仍为2：1。在图8中示出了类似的示例，示出了具有4×4布置的环境光探测器阵列。参考二极管400再次沿着板的对角线布置，而光电二极管401占据剩余空间。沿着阵列边缘的光电二极管和参考二极管之比等于3：1。
[0060] 因此，为了保持与沿着边缘的二极管的比率相同的总体比率，必须将所有参考二极管布置在环境光探测器阵列的对角线之一上。
[0061] 图9示出了形成环境光传感器的方法的一些方面。在步骤S1中，提供第一导电类型的基板层，该层具有主表面。该层可以例如是p掺杂的并且由GaAs，GaN或任何其他合适的材料形成。在步骤S2中，在基板层上或基板层中彼此侧向相邻并隔开第一距离地沉积第二导电类型的几个区域。形成的区域可以在顶视图中形成棋盘，例如N×N棋盘，其中N是大于2的整数。每个区域包含由基板层的边界围绕的第二导电类型区域。
[0062] 在第二导电类型区域和基板层之间形成pn结。可以通过将n掺杂沉积到基板层中来形成区域。可替代地，可以将一个或多个凹槽蚀刻到p掺杂层中。然后可以用n掺杂材料填充凹槽。可以使用利用光电二极管或LED制造技术形成pn结的其他替代方案。
[0063] 在基板层中形成n型阱之后，在步骤S2中，基板层和n阱两者都电接触。为此，将触点沉积在表面上。可以在两个相邻的n型阱之间的基板层的区域上布置一个或多个公共触点。触点由金属或诸如ITO的透明导电材料形成。该触点耦接到读出和放大电路，该读出和放大电路被单独提供或整体形成在层基板上。
[0064] 最后，在步骤S3中，在一个或多个区域上形成遮光元件。放置该遮光罩，使得其横向尺寸大于所限定的区域之一，并因此，遮光罩完全覆盖区域，并且还部分地延伸到相邻区域中。遮光罩可以是任何不透明的材料，例如深色树脂等。也可以使用(优选地具有有限的反射)金属。在形成遮光罩之前，具有形成的二极管的阵列可以完全被透明材料覆盖，例如SOG，SiO等。遮光元件仅覆盖一部分区域，使得未被覆盖的区域的数量大于被覆盖的数量。遮光罩也可以仅沉积在特定区域和专用区域上，因此在俯视图中覆盖阵列的对角线。
