专利名称：半导体光电传感器的制作方法
相关申请的交叉引用本申请是基于2006年2月22日提交的日本专利申请No.2006-45639，并根据35USC§119要求享有该日本专利申请的优先权，将其全部内容并入在本文中作为参考。
背景技术：
一种根据环境照度输出线性信号的半导体光电传感器被广泛应用。尤其是在手机中，这种半导体光电传感器用于根据环境照度控制键区中的发光二极管(LED)或液晶显示器的背照明的开/关。
例如，这种半导体光电传感器用作照度传感器，其用于在环境明亮的时候关掉键区中的LED或背照明；而在环境昏暗的时候打开LED或背照明，或者进行类似的亮度调节，从而就减少不必要的功耗。
为了满足这些需求，作为照度传感器的半导体光电传感器需要具有与人眼的光谱灵敏度基本相同的光谱灵敏度特性。
专利参考文件1(后面将进行描述)所述的照度传感器是获得接近于视觉灵敏度的光谱灵敏度特性的传统技术。该照度传感器包含一个具有红外透射滤光器的光电二极管和一个不包含红外透射滤光器的光电二极管，并在由这些光电二极管所产生的光电流之间进行操作，从而将红外光从检测波段中排除。以这种方式，可以从照度传感器的光谱灵敏度特性中排除对红外光的灵敏性。
如上所述，光谱灵敏度特性通常在长波波段得到改善，但在短波波段却没有得到改善。这在短波波段产生了与视觉灵敏度的差异。
如下是公开了使用红外透射滤光器的传统半导体光电传感器的参考文件。
日本专利公报No.2004-214341发明内容根据本发明的一个方案，提供一种半导体光电传感器，该传感器包括形成在半导体衬底的表面部分中的第一光电检测器和第二光电检测器；第一树脂层，其形成在第一光电检测器的光接收区上并具有第一光谱灵敏度特性；第二树脂层，其形成在第二光电检测器的光接收区上并具有第二光谱灵敏度特性；以及运算电路，其在来自第一光电检测器的第一输出和来自第二光电检测器的第二输出之间执行预定的运算，并输出运算结果，其中第一光谱灵敏度特性是除去短波区中的波长分量的特性，第二光谱灵敏度特性是除去红外区中的波长分量的特性。
根据本发明的一个方案，提供一种半导体光电传感器，该传感器包括形成在半导体衬底的表面部分中的第一光电检测器和第二光电检测器；第一树脂层，形成在第一光电检测器的光接收区上并具有第一光谱灵敏度特性；第二树脂层，形成在第二光电检测器的光接收区上并具有第一光谱灵敏度特性；第三树脂层，其形成在第二光电检测器的光接收区上使得第二树脂层与该第三树脂层叠置在一起并具有第二光谱灵敏度特性；以及运算电路，其在第一光电检测器的第一输出和第二光电检测器的第二输出之间执行预定的运算，并输出运算结果，其中第一分光谱灵敏度特性是除去短波区中的波长分量的特性，第二光谱灵敏度特性是除去红外区中的波长分量的特性。
附图简述
图1是示出根据本发明第一实施例的半导体光电传感器设置的电路图；图2A是示出根据第一实施例的半导体光电传感器中的光电二极管部分的纵向截面结构的截面图；图2B是示出图2A的一种变体的截面图；图3A是示出根据第一实施例的半导体光电传感器中的短波截止滤光器的透射率特性的一个实例的曲线图；图3B是示出根据第一实施例的半导体光电传感器中的红外透射滤光器的透射率特性的一个实例的曲线图；图3C是示出当不使用滤光器时在根据第一实施例的半导体光电传感器中可用的光电二极管的特性的一个实例的曲线图；图3D是示出在根据第一实施例的半导体光电传感器中只使用滤掉短波的滤波器的光电二极管部分1中所得到的特性的一个实例的曲线图；图3E是示出在根据第一实施例的半导体光电传感器中使用短波截止滤光器和红外透射滤光器11的光电二极管部分2中得到的特性的一个实例的曲线图；图3F是示出通过在根据第一实施例的半导体光电传感器中使用光电二极管部分1和2所得到的特性的一个实例的曲线图；图4A是示出根据第一实施例的半导体光电传感器中的芯片布局构图(layout pattern)的一个实例的平面图；图4B是示出根据第一实施例的半导体光电传感器中的芯片布局构图的另一个实例的平面图；图5是示出根据参考例的半导体光电传感器设置的电路图；图6是示出根据参考例的半导体光电传感器的光谱灵敏度特性的一个实例的曲线图；图7是示出各种光源的发光光谱的曲线图；图8是示出根据本发明第二实施例的半导体光电传感器设置的电路图9是示出根据本发明第三实施例的半导体光电传感器设置的电路图；图10A是示出根据本发明第四实施例的半导体光电传感器中的光电二极管部分的纵向截面结构的截面图；图10B是示出图10A的一种变体的截面图；以及图11是示出根据本发明第五实施例的半导体光电传感器中的光电二极管部分的纵向截面结构的截面图。
具体实施例方式
下面将参考附图对本发明实施例进行说明。
(1)第一实施例图1示出根据本发明第一实施例的半导体光电传感器的电路结构。该半导体光电传感器具有光电二极管部分1和2，放大器3、4和5，以及输出电路6。
图2A示出光电二极管部分1和2的纵向截面结构。
光电二极管部分1由形成在p型半导体衬底7上的n型外延层8以及形成在n型外延层8的表面上的p型扩散层9来形成。将短波截止滤光器10a经由绝缘膜204和205形成在最终结构顶部，其中所述滤光器10a除去短波区的光。
光电二极管部分2具有与光电二极管部分1相同的光电二极管结构。另外，一个红外透射滤光器11和短波截止滤光器10b经由绝缘膜204和205叠置在最终结构的顶部。红外透射滤光器11和短波截止滤光器10b可按此顺序叠置，也可按相反的顺序叠置。在第一实施例中，红外透射滤光器11和短波截止滤光器10b是按此顺序叠置在绝缘膜205的上面。
在光电二极管部分1和2中的每一个中，n型外延层8和p型扩散层9通过p+型元素隔离区201与周边隔离。并且还形成p+型埋层202和n+型埋层203。
图3A示出短波截止滤光器10a和10b的透射率特性的实例。如图3A所示，短波截止滤光器10a和10b具有这样的光谱灵敏度特性在半宽处的波长(透射率为50％的波长)为400到600nm。
图3B示出红外透射滤光器11的透射率特性的实例。红外透射滤光器11具有这样的光谱灵敏度特性在半宽处的波长为550到700nm。
图3C示出在光电半导体部分1和2中没有使用滤光器10a、10b和11的情况下所得到的光谱灵敏度特性。形成在硅半导体衬底上的光电二极管具有如图3C所示的特性透射率在500到600nm达到最高点。
图3D示出在仅使用短波截止滤光器10a的光电二极管部分1中所得到的光谱灵敏度特性，即在具有如图3C所示的特性的光电二极管中使用具有如图3A所示的特性的短波截止滤光器10a时所得到的特性。
图3E示出在使用短波截止滤光器10b和红外透射滤光器11的光电二极管部分2中所得到的光谱灵敏度特性，即在具有如图3C所示的特性的光电二极管中使用具有如图3A所示的特性的短波截止滤光器10a以及具有如图3B所示的特性的红外透射滤光器11时所得到的特性。
图3F示出通过使用光电二极管部分1和2由第一实施例最终所得到的光谱灵敏度特性。如图3F所示，第一实施例可以获得基本上等同于人眼的光谱灵敏度特性。
下面将参照图1对根据第一实施例的实现了如上所述的光谱灵敏度特性的半导体光电传感器的操作进行说明。
当利用具有预定照度的光对光电二极管部分1和2进行照射时，光电二极管1输出从可见光区到从短波截止滤光器10a透过的红外区的光电流。
光电二极管部分2输出相应于红外透射滤光器11的光谱灵敏度特性的红外区中的光电流。这些输出光电流由放大器3以相同的放大倍数放大，该放大器具有由大小相同的晶体管3a和3b构成的电流反射镜结构。
光电二极管1和放大器3的输出连接到放大器4。放大器4接收通过从光电二极管部分1的输出中减去放大器3的输出而得到的电流，即从其中减去红外分量的电流。此后，放大器4和5以及输出电路6将电流放大到必要的大小并输出放大的电流。
图4A示出第一实施例中的芯片布局构图的实例。参照图4A，将光电二极管部分1和2设置成彼此相邻。
在图4B所示的芯片布局构图中，将光电二极管部分1和2划分成多个部分，并且交替设置被划分的光电二极管部分1和2使其彼此相邻以形成格子状。通过互连层(在图1中未示出)来并联连接光电二极管部分1的所分开的部分，也通过互连层(在图1中未示出)来并联连接光电二极管部分2的所分开的部分。
在如上所述的第一实施例中，从光电二极管的光输出中不仅除去红外区而且还除去短波区。因此，可以得到与视觉灵敏度接近的光谱灵敏度特性。
图2B示出第一实施例的一种变形的结构。该变形使用短波截止滤光器10c，该滤光器是通过连续形成第一实施例中的短波截止滤光器10a和10b而得到的。这种结构避免了进行构图以将短波截止滤光器10c分为10a和10b的需要。另外，在第一实施例中的短波截止滤光器10a和10b之间通过的倾斜入射光通过该变形中的短波截止滤光器10c。因此，可以得到更为理想的特性。
下面将进行对根据参考例的半导体光电传感器进行说明。
图5示出该半导体光电传感器中的光电二极管和用于光电流的信号处理器的设置。该半导体光电传感器包括使用红外透射滤光器的光电二极管101、以及未使用红外透射滤光器且具有四倍面积的光电二极管102。光电二极管101输出光电流I1，而光电二极管102输出光电流I2。
四倍于来自光电二极管101的光电流I1的光电流I2流过放大器103。
信号处理器104连接到放大器103的输出和光电二极管102的阳极。信号处理器104从光电二极管102的光电流I2中减去光电二极管101的由放大器103放大的光电流I1，即通过红外透射滤光器的红外分量，并且输出运算结果，。
这使得可以得到基本上对红外光不敏感的光谱灵敏度特性，这由图6中的虚线表示，该虚线与由图6中的实线所表示的光谱灵敏度特性相似。
然而，参照图6，没有除去短波处的阴影部分。该部分是参考例的光谱灵敏度特性与视觉灵敏度之间的区别。
下面将说明在根据参考例的使用红外透射滤光器的半导体光电传感器中以及在包括不使用红外透射滤光器的光电二极管的半导体光电传感器中的基于实验的数据，该数据和点亮白炽灯时的输出与点亮荧光灯时的输出的比(＝点亮白炽灯时的输出/点亮荧光灯时的输出)有关。
如果光电传感器的光谱灵敏度特性与视觉灵敏度匹配，则点亮白炽灯时的输出与点亮荧光灯时的输出的比(＝点亮白炽灯时的输出/点亮荧光灯时的输出)为1.0。因此，为了通过半导体光电传感器来执行对液晶显示器的亮度调节等类似操作，光电传感器的输出比大概要求在大约0.8到1.2之间。
相比之下，未使用红外透射滤光器的传感器的输出比为1.3或更高，而根据参考例的使用红外透射滤光器的传感器的输出比为0.8到0.9。因此，在上述参考例中，与未使用红外透射滤光器的传感器相比，使用红外透射滤光器可以改善点亮白炽灯时的输出与点亮荧光灯时的输出的比(＝点亮白炽灯时的输出/点亮荧光灯时的输出)。
不幸的是，点亮荧光灯时的输出增大。另外，由于在大规模生产工艺等中的变化因素，难以将输出比降到0.8到1.2。
当在例如由硅制成的半导体衬底上形成光电二极管时，硅对波长为360到550nm的光具有敏感性。因此，如在图6所示的阴影区中那样，在短波区中在视觉灵敏度与根据参考例的半导体光电传感器的光谱灵敏度特性之间产生差异。
图7示出通常用作照明的光源的发光光谱。在图6所示的阴影区中，即在360到550nm的波段中，白炽灯的发光强度较低，卤素灯的发光强度也相对较低。
另一方面，具有三个波段的荧光灯或者作为节能照明而备受关注的白光LED的发光强度在360到550nm处较高。因此，在根据参考例的半导体光电传感器中，在短波会产生与视觉灵敏度的差异，从而点亮白炽灯时的输出与点亮荧光灯时的输出的比(＝点亮白炽灯时的输出/点亮荧光灯时的输出)不为1.0。
相比之下，在上述的第一实施例的半导体光电传感器中，从光电二极管的光输出中不仅除去红外区而且还除去短波区。因此，可以实现与视觉灵敏度接近的光谱灵敏度特性。
(2)第二实施例图8示出根据本发明第二实施例的半导体光电传感器的设置。该半导体光电传感器包括光电二极管部分1和2，放大器14、15和16，以及输出电路17。
来自光电二极管部分2的光电流由放大器14放大，而来自光电二极管部分1的光电流由放大器15放大。此后，如同第一实施例的放大器3，放大器16从光电二极管部分2的光电流中减去光电二极管1的光电流。输出电路17将所得到的光电流放大并将放大的光电流输出到外部。
光电二极管部分1和2的结构与第一实施例相同，因此省略对其的说明。
第二实施例与第一实施例不同之处在于放大器14和15将来自光电二极管部分2和1的光电流放大到这样的程度可以忽略从芯片侧面入射的光在衬底中所产生的光载流子的电流的影响，或者可以忽略来自光电二极管的扩散电流的影响。
将从光电二极管部分2和1输出的光电流放大到这样的程度可以忽略从芯片侧面入射的光在衬底中所产生的光载流子的电流的影响，或者可以忽略来自光电二极管的扩散电流的影响。此后，对这些光电流进行减法操作。相应地，也可以通过减法操作消除在半导体衬底中所产生的光载流子的影响。
从光电二极管部分1和2输出的光电流小到只有几个nA。因此，当在放大这些光电流后进行减法操作时，S/N比会升高。
为了平衡来自芯片侧面的光分量的影响，优选按对设置布图，使得光电二极管部分1中的到芯片端的距离等于光电二极管部分2中的到芯片端的距离，也就是说，在特性方面设置相当。
此外，为了平衡来自芯片侧面的光分量对形成放大器14和15的电路元件的影响，并平衡来自光电二极管部分1和2的扩散电流的影响，优选地放大器14和15的设置是对称的，使得到光电二极管部分1和2的距离相等，并且到芯片端的距离也相等。
(3)第三实施例下面将参照示出光电传感器设置的图9对根据本发明第三实施例的半导体光电传感器进行说明。该半导体光电传感器包括光电二极管部分1和2，放大器3、18和19，参考电压生成器20，比较电压生成器21，比较器22，以及逻辑电路23。
如在第一实施例中那样，放大器3从光电二极管部分2的光电流中减去光电二极管部分1的光电流，从而使特性与视觉灵敏度匹配。
此后，放大器3的输出由放大器18和19放大，并且输入到比较器22。
参考电压生成器20产生诸如带隙恒定电压(bandgap constantvoltage)的参考电压。在参考电压生成器20所生成的参考电压的基础上，比较电压生成器21生成比较电压。该比较电压相当于参考值，该参考值用于确定环境照度是两种情况中的哪一种，以便打开或关掉液晶显示器的背照明等。
比较器22将从比较电压生成器21输出的比较电压与从放大器19输出的电压相比较，其具有相应于光电流的值，并输出比较结果。将该来自比较器22的输出输入到逻辑电路23，逻辑电路23输出逻辑信号“1”或“0”。
在第三实施例中，在从由光电二极管部分2得到的光电流中减去来自光电二极管部分1的光电流之后，将差值与预定的比较电压相比较。相应地，可以得到用于控制例如液晶显示器的背照明开/关的输出。通过从光电二极管的光输出中除去红外区和短波区使该输出具有与视觉灵敏度接近的光谱灵敏度特性。
(4)第四实施例图10A示出根据本发明第四实施例的半导体光电传感器中的光电二极管的截面结构。在前面所描述的第一实施例中，将红外透射滤光器11和短波截止滤光器10b依次通过绝缘膜204和205叠置在光电二极管部分2的顶部。
然而，在第四实施例中，将短波截止滤光器10b和红外透射滤光器11依次叠置在绝缘膜205之上。
在使用第四实施例的这种滤光器叠置顺序的光电二极管部分2中，形成短波截止滤光器10b使其靠近其中形成有光电二极管的外延层8，如在光电二极管部分1中那样。因此，不同于第一实施例，从光电二极管部分2上方倾斜入射的光在与从光电二极管部分1上方倾斜入射的光相同的情况下通过短波截止滤光器10b，然后进入光电二极管部分1。
相应地，将光电二极管部分1中的短波截止滤光器10a与光电二极管部分2中的短波截止滤光器10b设置在等同的位置上，因此当从来自光电二极管部分2的光电流中减去来自光电二极管部分1的光电流时可以高精度地执行操作。
在第二和第三实施例中的每一个的半导体光电传感器的光电二极管部分2中，可以以第一或第四实施例所述的顺序叠置滤光器。
图10B示出第四实施例的一种变形的结构。在该变形中，通过连续形成第四实施例中的滤掉短波滤光器10a和10b而得到短波截止滤光器10d。该结构避免了进行构图以将短波截止滤光器10d分为10a和10b的需要。另外，在第四实施例中的短波截止滤光器10a和10b之间通过的倾斜入射光通过该变形中的短波截止滤光器10d。因此，可以得到更为理想的特性。
(5)第五实施例图11示出根据本发明第五实施例的半导体光电传感器中的光电二极管的截面结构。第五实施例与第一和第四实施例的区别在于在光电二极管部分2中没有形成短波截止滤光器10，并且仅在绝缘膜205上形成红外透射膜11。
当使用在550nm或以上的波段中具有很高的透射率(如图3A所示)的短波截止滤光器10时，可以仅在光电二极管部分1上形成短波截止滤光器10，并且在光电二极管部分2上仅形成红外透射滤光器11。
第二和第三实施例中的每一个中的光电二极管部分1和2可以也具有第五实施例的光电二极管结构。
在如上所述的第一到第五实施例中，在使用具有从可见光区到红外区的光谱灵敏度特性的半导体二极管的半导体光电传感器中，在从光电二极管部分1输出的光电流和从光电二极管部分2输出的光电流之间进行操作，从而除去短波分量和红外分量，其中在所述光电二极管部分1上仅形成短波截止滤光器10a，并且在所述光电二极管部分2上形成短波截止滤光器10b和红外透射滤光器11。因此，可以实现一种具有与视觉灵敏度接近的光谱灵敏度特性的半导体光电传感器。
注意上述的每一个实施例仅是一个实例，并不限制本发明。因此，可以在本发明的技术范围内对这些实施例进行各种修改。例如，光电检测器不限于光电二极管，并且可以是根据接收光的量生成电信号的任何元件。
权利要求
1.一种半导体光电传感器，包括形成在半导体衬底的表面部分中的第一光电检测器和第二光电检测器；第一树脂层，其形成在所述第一光电检测器的光接收区上，并且包括第一光谱灵敏度特性；第二树脂层，其形成在所述第二光电检测器的光接收区上，并且包括第二光谱灵敏度特性；以及运算电路，其在来自所述第一光电检测器的第一输出与来自所述第二光电检测器的第二输出之间执行预定的运算，并输出该运算的结果，其中所述第一光谱灵敏度特性是除去短波区中的波长分量的特性，所述第二光谱灵敏度特性是除去红外区中的波长分量的特性。
2.根据权利要求1所述的光电传感器，其中当透射率为50％时所述第一光谱灵敏度特性的半宽处的波长为400到600nm。
3.根据权利要求1所述的光电传感器，其中当透射率为50％时所述第二光谱灵敏度特性的半宽处的波长为550到700nm。
4.根据权利要求2所述的光电传感器，其中当透射率为50％时所述第二光谱灵敏度特性的半宽处的波长为550到700nm。
5.根据权利要求1所述的光电传感器，其中所述运算电路从所述第二光电检测器输出的第二光电流中减去所述第一光电检测器输出的第一光电流。
6.根据权利要求1所述的光电传感器，还包括放大来自所述第一光电检测器的所述第一输出并输出所放大的输出的第一放大器；以及放大来自所述第二光电检测器的所述第二输出并输出所放大的输出的第二放大器，其中所述运算电路在由所述第一放大器放大的所述第一输出和由所述第二放大器放大的所述第二输出之间执行预定的运算，并输出该运算的结果。
7.根据权利要求1所述的光电传感器，其中将所述第一光电检测器和所述第二光电检测器设置成彼此相邻。
8.根据权利要求1所述的光电传感器，其中所述第一光电检测器和所述第二光电检测器中的每一个包括多个元件，并且将所述第一光电检测器的所述多个元件和所述第二光电检测器的所述多个元件交替设置成彼此相邻。
9.根据权利要求1所述的光电传感器，还包括比较电压生成器，其生成与光照度相关的比较电压；以及比较器，其将所述比较电压与从所述运算电路输出的所述预定运算的结果相比较，并且输出该比较的结果。
10.一种半导体光电传感器，包括形成在半导体衬底的表面部分中的第一光电检测器和第二光电检测器；第一树脂层，其形成在所述第一光电检测器的光接收区上，并且包括第一光谱灵敏度特性；第二树脂层，其形成在所述第二光电检测器的光接收区上，并且包括所述第一光谱灵敏度特性；第三树脂层，其形成在所述第二光电检测器的光接收区上使得所述第二树脂层和该第三树脂层叠置在一起，并且包括第二光谱灵敏度特性；以及运算电路，其在来自第一光接收元件的第一输出和来自第二光接收元件的第二输出之间执行预定的运算，并且输出该运算的结果，其中所述第一光谱灵敏度特性是除去短波区中的波长分量的特性，所述第二光谱灵敏度特性是除去红外区中的波长分量的特性。
11.根据权利要求10所述的光电传感器，其中使所述第一树脂层与所述第二树脂层成为整体。
12.根据权利要求10所述的光电传感器，其中所述第三树脂层叠置在所述第二光电检测器的所述光接收区上的所述第二树脂层的表面上。
13.根据权利要求10所述的光电传感器，其中当透射率为50％时所述第一光谱灵敏度特性的半宽处的波长为400到600nm。
14.根据权利要求10所述的光电传感器，其中当透射率为50％时所述第二光谱灵敏度特性的半宽处的波长为550到700nm。
15.根据权利要求13所述的光电传感器，其中当透射率为50％时所述第二光谱灵敏度特性的半宽处的波长为550到700nm。
16.根据权利要求10所述的光电传感器，其中所述运算电路从所述第二光电检测器输出的第二光电流中减去所述第一光电检测器输出的第一光电流。
17.根据权利要求10所述的光电传感器，还包括放大来自所述第一光电检测器的所述第一输出并输出所放大的输出的第一放大器，以及放大来自所述第二光电检测器的所述第二输出并输出所放大的输出的第二放大器，其中所述运算电路在由所述第一放大器放大的所述第一输出和由所述第二放大器放大的所述第二输出之间执行预定的运算，并且输出该运算的结果。
18.根据权利要求10所述的光电传感器，其中将所述第一光电检测器和所述第二光电检测器设置成彼此相邻。
19.根据权利要求10所述的光电传感器，其中所述第一光电检测器和所述第二光电检测器中的每一个包括多个元件，并且将所述第一光电检测器的所述多个元件和所述第二光电检测器的所述多个元件交替设置成彼此相邻。
20.根据权利要求10所述的光电传感器，还包括比较电压生成器，其生成与光照度相关的比较电压；以及比较器，其将所述比较电压与从所述运算电路输出的所述预定运算的结果相比较，并且输出该比较的结果。
全文摘要
根据本发明，提供一种半导体光电传感器，包括形成在半导体衬底的表面部分中的第一光电检测器和第二光电检测器；第一树脂层，其形成在第一光电检测器的光接收区上，并且包括第一光谱灵敏度特性；第二树脂层，形成在第二光电检测器的光接收区上，并且包括第二光谱灵敏度特性；以及运算电路，其在来自第一光电检测器的第一个输出和来自第二光电检测器的第二输出之间执行预定的运算，并且输出该运算的结果，其中第一光谱灵敏度特性是出去短波区中的波长分量的特性，而第二光谱灵敏度特性是出去红外区中的波长分量的特性。
文档编号H01L31/0232GK101026175SQ20071007898
公开日2007年8月29日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年2月22日
发明者泷场由贵子, 铃永浩, 森英之, 高桥望 申请人:株式会社东芝