專利名稱：光敏結(jié)構(gòu)和包括這種結(jié)構(gòu)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光敏結(jié)構(gòu)以及包括這種光敏結(jié)構(gòu)的裝置。例如，這樣的裝置可以 包括被集成到有源矩陣液晶器件(AMLCD)中的光傳感器器件。
背景技術(shù)：
如附圖中的

圖1所示，可以將環(huán)境光 傳感器(ALS)集成在AMIXD顯示器基板上。附圖中的圖2示出了典型AMIXD的簡(jiǎn)化截面圖。背光101是用于照射顯示器的光 源，從背光101到觀看者102的、通過(guò)顯示器的光的傳輸受到由薄膜晶體管(TFT)制成電路 的使用的控制。TFT是制造在玻璃基板上的(該玻璃基板被稱作TFT玻璃103)，并且被操作 為改變通過(guò)液晶(LC) 104層的電場(chǎng)。而這將改變LC材料的光屬性，并因此實(shí)現(xiàn)從背光101 到觀看者102的、通過(guò)顯示器的光的選擇性傳輸。在使用顯示器的許多產(chǎn)品(例如，移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理(PDA))中，發(fā)現(xiàn)根據(jù)環(huán) 境照明條件來(lái)控制背光的光輸出是有用的。例如，在低環(huán)境照明條件下，期望降低顯示器背 光的亮度，并因此也降低顯示器的亮度。這也保持了顯示器輸出圖像的最優(yōu)質(zhì)量，使得背光 所消耗的功率最小化。為了根據(jù)環(huán)境照明條件改變背光的強(qiáng)度，需要具有用于感測(cè)環(huán)境光級(jí)的裝置。用 于該目的的環(huán)境光傳感器可以與TFT玻璃基板分離。然而，通常將ALS集成到TFT玻璃基 板上(“單片集成”)在例如減小包含顯示器在內(nèi)的產(chǎn)品的尺寸、重量以及制造成本方面有 若干優(yōu)點(diǎn)。如附圖中圖1所示的典型實(shí)際環(huán)境光傳感器系統(tǒng)包含以下元件(a)光檢測(cè)元件，能夠?qū)⑤斎牍廪D(zhuǎn)換成電流。這樣的光檢測(cè)元件的示例是光電二極管2。(b)偏壓電路(環(huán)境光傳感器驅(qū)動(dòng)電路3)，控制光檢測(cè)元件并感測(cè)光產(chǎn)生的電流。(c)輸出電路4，提供表示測(cè)量的環(huán)境光級(jí)的輸出信號(hào)(模擬或數(shù)字信號(hào))。(d)調(diào)整顯示操作的裝置(背光控制器5)，基于測(cè)量的環(huán)境光級(jí)，例如通過(guò)控制背 光101的強(qiáng)度，來(lái)調(diào)整顯示操作。在具有單片集成的環(huán)境光傳感器的AMLCD的情況下，所使用的基本光檢測(cè)器件必 須與在顯示器基板的制造中所使用的TFT工藝兼容。與標(biāo)準(zhǔn)TFT工藝兼容的公知光檢測(cè)器 件是橫向、薄膜、多晶硅P-I-N 二極管，即具有陽(yáng)極8和陰極9的二端子器件，其電路表示在 附圖中的圖3中示出。這種器件的典型結(jié)構(gòu)如附圖中的圖4所示。該器件由形成器件陽(yáng) 極8的ρ-型半導(dǎo)體材料(在這種情況下，半導(dǎo)體材料是多晶硅)區(qū)以及形成器件陰極9的 η-型半導(dǎo)體材料區(qū)組成。在η-和P-型區(qū)之間是本征或輕摻雜的半導(dǎo)體材料(硅)7的區(qū) 域。這形成了該器件中能夠?qū)⑤斎牍廪D(zhuǎn)換成電流的光敏部分。為了操作這樣的光電二極管，必須在兩個(gè)光電二極管端子(陽(yáng)極8和陰極9)之間 施加電勢(shì)差。在附圖的圖5中示出了光電二極管的典型電流-電壓(IV)特性，其中，示出 了器件處于黑暗中的情況12，和用某光級(jí)A照射器件的情況13。這里所施加的光電二極管偏壓是陽(yáng)極與陰極之間的電勢(shì)差。
從附圖的圖5可以看出，對(duì)器件進(jìn)行照射改變了任何給定工作偏壓下流經(jīng)該器件 的電流。對(duì)于給定偏壓下的器件的工作，處于黑暗中的器件所產(chǎn)生的電流可以被稱作器 件的“漏電流”(或“暗電流”)。被照射的器件所產(chǎn)生的電流可以被稱作“亮電流(light current) 這由漏電流和電流中響應(yīng)于入射光而產(chǎn)生的那部分之和(該后一部分電流被 稱作“光電流(photocurrent)”)組成。用多晶硅TFT工藝制造的光電二極管通常具有低靈敏度，這有兩個(gè)主要原因1.光電流通常較小，典型地受到薄膜半導(dǎo)體材料厚度的限制。2.漏電流通常較大，典型地，由于半導(dǎo)體材料中存在高密度的缺陷態(tài)。在許多應(yīng)用中，光電二極管的靈敏度極限由光電流和漏電流的相對(duì)貢獻(xiàn)確定。如 果光電流小于漏電流，則很難檢測(cè)到該光電流。此外，漏電流通常極大地依賴于溫度，隨著 溫度的升高而增加。相應(yīng)地，其中的感測(cè)元件是薄膜多晶硅光電二極管的環(huán)境光傳感器可 能呈現(xiàn)相對(duì)低的靈敏度，尤其在較高工作溫度下。具有單片集成的環(huán)境光傳感器的AMIXD需要進(jìn)行一些規(guī)定，以防止顯示器背光 101直接照射光傳感器元件2。實(shí)現(xiàn)該目的的最便利的方式是通過(guò)附6所示的置于背 光與光傳感器元件之間的不透明遮光(LS)層501。用于實(shí)現(xiàn)適合的LS層的一種可能手段是，使用置于TFT玻璃基板與背光之間的 附加材料，例如，黑膠帶或黑涂料。這種方法的缺點(diǎn)在于，會(huì)增加厚度或者增加顯示器模塊 的成本。另一顯著缺點(diǎn)在于，很難以足夠的精度機(jī)械地對(duì)準(zhǔn)背光與光傳感器元件之間的LS 層。這在接近顯示器有源區(qū)域放置光傳感器元件的情況下尤其如此，這是因?yàn)樾枰筁S層 所覆蓋的區(qū)域不會(huì)侵入到有源區(qū)域中，以免影響顯示器的性能。因此通常發(fā)現(xiàn)，如附圖的圖7所示，將LS層單片集成到TFT玻璃基板上是有利的， 如在EP1511084A2中所公開的。在US6750476中描述了用于制造具有集成LS層的TFT玻 璃基板的可能方法。為了便于與標(biāo)準(zhǔn)TFT工藝兼容，通常發(fā)現(xiàn)，從沉積金屬(例如，鋁或鉬) 層來(lái)形成遮光層是方便的。在附圖的圖8中示意了示出包括LS層的典型AMLCD工藝的流 程圖。US6750476還描述了一種在標(biāo)準(zhǔn)TFT工藝中可用的、用于在LS層與其他金屬層之 間實(shí)現(xiàn)接觸的方法。此外，已知LS層除了阻擋從背光到光傳感器元件的光路徑之外還可以具有其他 應(yīng)用。US6556265描述了如何使用遮光層來(lái)減少顯示器像素TFT中的光致漏電流。LS層可 以與所有其他導(dǎo)電層電絕緣，并且還可以形成從LS層到工藝中可用的其他金屬或半導(dǎo)體 層的接觸。US6556265還描述了 一種通過(guò)實(shí)現(xiàn)從源極驅(qū)動(dòng)器線到LS層的接觸來(lái)減小顯示器 驅(qū)動(dòng)器電路中總線的阻抗的方法。US7199853描述了如何使用LS層來(lái)形成可以用于顯示器 像素的電荷存儲(chǔ)的電容器板中的一個(gè)。如上所述的薄膜光電二極管可以由附圖的圖9的等同電路來(lái)表示，其中，壓敏電 流源I (V) 502與電阻元件R 504串聯(lián)布置，并且電容器C 506與這些元件并聯(lián)布置。電容元件C由以下兩個(gè)主要源產(chǎn)生(i)在半導(dǎo)體材料本身內(nèi)所形成的二極管元件的電容。這通常被稱作二極管“結(jié) 電容”，并且在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體物理教材中也描述了計(jì)算該電容的方法。
(ii)寄生電容元件。這些是由于例如用于在傳感器的陰極和陽(yáng)極處接觸半導(dǎo)體的源電極金屬之間的電容而引起。對(duì)于設(shè)計(jì)良好的薄膜光電二極管而言，與寄生陽(yáng)極到陰極電容相比，結(jié)電容通常 較小，因而寄生電容主導(dǎo)。在薄膜光電二極管具有單片集成的LS層的情況下，該寄生電容 則被由于該LS層的存在而引起的電容效應(yīng)主導(dǎo)。在附圖的圖11中示出了這一點(diǎn)。光電二 極管陽(yáng)極和光電二極管陰極到LS層均具有較大寄生電容。最終結(jié)果是，LS層在陽(yáng)極和陰 極之間引入了寄生電容，該寄生電容等同于串聯(lián)的陽(yáng)極-LS和陰極-LS電容器。包括LS層所引入的額外寄生電容對(duì)于并不意在作為光傳感器元件的、包括LS結(jié) 構(gòu)以限制光致漏電流的器件的性能還有有害的影響。這種器件的示例是被設(shè)計(jì)為具有最小 漏電流的薄膜晶體管(TFT)。這種器件的示例是“像素TFT”，被合并到AMLCD矩陣的每個(gè)像 素元件中的開關(guān)元件。這種器件通常包括輕摻雜漏極(LDD)結(jié)構(gòu)，以最小化通過(guò)電場(chǎng)的熱 產(chǎn)生的漏電流的增強(qiáng)。此外，通常使用串聯(lián)的多個(gè)TFT器件來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)。在附圖的圖10中 示出了串聯(lián)的LDD-TFT的簡(jiǎn)圖。LDD-TFT包括重度摻雜η-型(N+)硅區(qū)160、中等摻雜η-型 (N)硅區(qū)162、以及輕摻雜ρ-型(Ρ-)硅區(qū)164。柵電極結(jié)構(gòu)166在整個(gè)P-區(qū)上延伸且在每 一側(cè)在部分N區(qū)上延伸。在US6310670中給出了利用多個(gè)串聯(lián)器件并且還具有LDD結(jié)構(gòu)的像素TFT結(jié)構(gòu)的 示例。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于，盡管可以將熱致漏電流降低至極低水平，但是所得到的結(jié)構(gòu) 是光敏的，并且來(lái)自顯示器背光的照射可以引入不期望的光產(chǎn)生的漏電流。LS結(jié)構(gòu)通過(guò)阻擋從背光入射的光的路徑，在減小光產(chǎn)生的漏電流方面是有效的。 然而，與額外器件電容相關(guān)聯(lián)的附帶缺點(diǎn)會(huì)超過(guò)該優(yōu)點(diǎn)，該額外器件電容會(huì)有害地增加寄 生電荷注入，并還增加器件的開關(guān)時(shí)間。光電二極管不是將輸入光轉(zhuǎn)換成電流的唯一可能的光傳感器器件。一種備選的公 知可能是光電晶體管，光電晶體管的漏極-源極電流是入射光級(jí)的函數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)將柵極 連接至漏極、源極、或一些其他外部偏壓電源的柵極，或者將其柵極浮置，來(lái)操作光電晶體管。另一種可能的光敏器件是光敏電阻(電阻是入射光級(jí)的函數(shù)的器件)，并且還存 在各種其他可能性。為了最大化諸如薄膜光電二極管之類的光檢測(cè)元件的靈敏度，對(duì)光檢測(cè)元件施加 偏壓是有利的，以使得最大化光電流與漏電流的比值，即，在器件的內(nèi)置電壓處。附圖的圖12示出了 一種用于對(duì)處于0伏特的光傳感器器件施加偏壓、并且測(cè)量所 產(chǎn)生的電流的公知電路實(shí)現(xiàn)方式。該電路包含以下元件 暴露于環(huán)境光的光電二極管7。寄生光電二極管電容由120示出，并表示為 Cpar0 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器51。 積分電容器Cint 52。 開關(guān) Sl 53。 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)81。電路元件連接如下。運(yùn)算放大器51的非反相端連接至光電二極管7的陽(yáng)極，光電二極管7的陽(yáng)極連接至地。運(yùn)算放大器51的反相端連接至光電二極管7的陰極。積分電 容器52連接在運(yùn)算放大器51的反相端與輸出之間。開關(guān)Sl 53連接在積分電容器52的 端子之間。ADC 81連接至運(yùn)算放大器51的輸出。該電路的操作如下
在積分周期開始之前，開關(guān)Sl 53閉合。將積分電容器Cint 52上的電勢(shì)復(fù)位到 0伏特。 在積分周期開始處，開關(guān)Sl 53斷開。 運(yùn)算放大器51進(jìn)行操作，使得(在理想情況下)反相與非反相輸入端之間的電 勢(shì)差為零。因此，在運(yùn)算放大器51的非反相輸入處形成零伏特的電勢(shì)。 由于光電二極管7的陰極處于0伏特，在光電二極管7的端子之間形成零伏特 的電勢(shì)差。 在積分周期期間，檢測(cè)光電二極管根據(jù)入射在其上的環(huán)境光的強(qiáng)度產(chǎn)生電流 Ip0然后將在積分電容器Cint上對(duì)該電流積分。 然后對(duì)在積分周期的開始和結(jié)束之間運(yùn)算放大器51的輸出處的電壓變化進(jìn)行 采樣。該電壓變化等于Ip/CINT乘以積分時(shí)間。 然后通過(guò)ADC 81將放大器輸出處的電壓電平轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出。該數(shù)字?jǐn)?shù)字則 表示測(cè)量的環(huán)境光級(jí)。寄生電容Cpar 120可以以兩種方式來(lái)阻礙該電路的操作。首先，該寄生電容Cpar 120可以從運(yùn)算放大器51的反相端到地以高頻產(chǎn)生低阻抗路徑。這可以使放大器在復(fù)位開 關(guān)Sl 53閉合的情況下變得不穩(wěn)定。其次，如果Cpar大于Cint，則例如從AMLCD驅(qū)動(dòng)器電路 耦合到運(yùn)算放大器51的反相端上的任何噪聲會(huì)根據(jù)比值Cpar/CINT，倍增到運(yùn)算放大器51 的輸出上。因此，為了使圖12的電路工作良好，且能夠檢測(cè)小量光電流，期望Cpar盡可能 小。圖12的電路的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式通常需要光電二極管的端子上的偏壓以相當(dāng)高的精 確程度保持為零，以便最大化對(duì)輸入環(huán)境光的靈敏度。實(shí)際上，由于電路組件并非理想，圖 12的電路的精確實(shí)現(xiàn)方式是困難的。尤其在需要將電路組件集成到TFT基板上的情況下是 如此。GB2443204公開了一種如附圖的圖13所示的用于通過(guò)將許多光電二極管元件串聯(lián) 來(lái)放松精確施加偏壓的要求的方法。通過(guò)多個(gè)傳感器器件的串聯(lián)，可以放松施加偏壓要求。 在附圖的圖14中示出了一種已知的用于串聯(lián)多個(gè)光傳感器器件的方法。通過(guò)創(chuàng)建P+摻雜 半導(dǎo)體區(qū)122、輕摻雜半導(dǎo)體區(qū)124 (可以是P-或N-)以及N+摻雜半導(dǎo)體區(qū)126，來(lái)在薄膜 半導(dǎo)體層中形成P-I-N光電二極管。半導(dǎo)體層通過(guò)絕緣氧化層136與LS層501分離?？?以通過(guò)絕緣中間層電介質(zhì)138形成接觸130，以將源電極(SE) 132連接至N+和P+摻雜半導(dǎo) 體區(qū)。因此，通過(guò)SE層的適當(dāng)圖案化，可以形成所示的串聯(lián)器件。在未公開的專利申請(qǐng)中還公開了使用附圖的圖15所示的結(jié)構(gòu)形成串聯(lián)光電二極 管的備選方法。這里，通過(guò)形成相鄰的P+和N+摻雜區(qū)，一個(gè)光電二極管的陽(yáng)極連接至下個(gè) 光電二極管的陰極。所得到的結(jié)構(gòu)因此是在單個(gè)硅島內(nèi)形成的P-I-N-P-I-N-…等等。多個(gè) 這樣的器件的串聯(lián)使得在每個(gè)單獨(dú)P-N區(qū)上施加的偏壓較小，這些P-N結(jié)(盡管實(shí)際上是 二極管)具有類似于電阻器的IV特性，使得P-N區(qū)近似接觸結(jié)構(gòu)。由于僅要求串聯(lián)器件傳 遞相對(duì)小的光電流，從而其上的電勢(shì)下降較小，因此PN結(jié)構(gòu)的有效“電阻”有多大是無(wú)關(guān)緊要的。與圖14的結(jié)構(gòu)相比該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，可以將大量光電二極管封裝到給定區(qū)域中， 這是因?yàn)樾纬蒔-N結(jié)構(gòu)所需的空間比創(chuàng)建到SE層的接觸所需的空間小。在串聯(lián)光電二極管258、260、262、264具有形成附圖的圖16所示的連續(xù)導(dǎo)電島的 LS層的情況下，可以如下估計(jì)寄生電容。假定對(duì)稱結(jié)構(gòu)，從而每個(gè)光電二極管陽(yáng)極和每個(gè)光 電二極管陰極到LS層的電容C。首先，由于第一電容器154與最后一個(gè)電容器156串聯(lián)，第 一光電二極管258的陽(yáng)極150與第N個(gè)光電二極管264的陰極152之間的總電容CTOT等 于

權(quán)利要求
1.一種光敏結(jié)構(gòu)，包括電串聯(lián)的多個(gè)光敏區(qū)；以及第一遮光層，包括被放置于用于遮 蔽光敏區(qū)以避開在所述結(jié)構(gòu)的第一主表面上入射的光的多個(gè)導(dǎo)電區(qū)，所述導(dǎo)電區(qū)彼此電絕緣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，光敏區(qū)平行于第一主表面橫向延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中，光敏區(qū)包括多個(gè)橫向半導(dǎo)體結(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)，其中，光敏區(qū)包括PIN二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)，其中，光敏區(qū)包括薄膜晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中，薄膜晶體管包括有源矩陣器件的像素電路的一 部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中，光敏區(qū)包括光傳感器元件。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，包括第二遮光層，包括被放置用于遮蔽 光敏區(qū)以避開在所述結(jié)構(gòu)的第二主表面上入射的光的多個(gè)導(dǎo)電區(qū)，并且所述多個(gè)導(dǎo)電區(qū)彼 此電絕緣。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中，導(dǎo)電區(qū)包括金屬噴鍍件。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中，導(dǎo)電區(qū)與所述結(jié)構(gòu)的其余部分電絕緣。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中，至少一個(gè)導(dǎo)電區(qū)被布置為連接至預(yù) 定電勢(shì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述至少一個(gè)導(dǎo)電區(qū)經(jīng)由電容性連接而連接。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中，第一遮光層的每個(gè)導(dǎo)電區(qū)與光敏區(qū) 中的相應(yīng)一個(gè)相關(guān)聯(lián)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中，第一遮光層的導(dǎo)電區(qū)中的至少一 個(gè)被布置為遮蔽至少兩個(gè)光敏區(qū)以避開在第一主表面上入射的光。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述結(jié)構(gòu)形成在有源矩陣基板上。
16.一種包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)的環(huán)境光傳感器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的傳感器，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的、被布置 為用作基準(zhǔn)的另一結(jié)構(gòu)。
18.—種包括根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)或根據(jù)權(quán)利要求16或17所述 的傳感器的裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，包括液晶器件。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的裝置，包括顯示器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，包括背光，第一遮光層置于光敏區(qū)與背光之間。
全文摘要
一種光敏結(jié)構(gòu)，包括電串聯(lián)的多個(gè)光敏區(qū)(124)。第一遮光層，包括被放置用于遮蔽光敏區(qū)(124)以避開在結(jié)構(gòu)的第一主表面上入射的光的多個(gè)導(dǎo)電區(qū)(501)。導(dǎo)電區(qū)(501)彼此電絕緣。
文檔編號(hào)H01L31/10GK102007607SQ20098011305
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月28日
發(fā)明者本杰明·詹姆斯·哈德文, 邁克爾·保羅·考爾森 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社